Устройство для зарядки накопительного конденсатора

 

Изобретение относится к импульсной технике, и касается устройств "медленного заряда" емкостных накопителей энергии от трехфазного источника переменного тока. Устройство для заряда емкостного накопителя энергии содержит: 1 трехфазный источник переменного тока (1), 1 емкостной накопитель (5), 2 дозирующих конденсатора (8, 9), 1 вентиль (12), 3 вентиля-тиристора (11, 13 и 14), 1 зарядный тиристор (10), 1 линейный дроссель (16), индуктивность линейного дросселя определяется выражением: где добротность зарядной цепи устройства; R_ли - активное линейное сопротивление источника; R_лд - активное сопротивление линейного дросселя, R_вп - среднее значение сопротивления вентиля - тиристора в проводящем направлении; f - частота изменения напряжения трехфазного источника переменного тока. 4 ил.

Изобретение относится к импульсной технике и касается устройств так называемого "медленного" заряда емкостных накопителей (ЕН) энергии от трехфазного источника переменного тока (ТИПТ) через вентильно-конденсаторно-дроссельный преобразователь-умножитель напряжения (ВКД ПУН), см. фиг.1, за много периодов изменения линейных напряжений ТИПТ, ЕН которых используются в качестве импульсно-периодического источника питания: ламп и электронных пушек накачки лазеров, газовых лазеров, локационной техники, установок электроискровой обработки материалов и других импульсных потребителей энергии.

Известно устройство для заряда емкостного накопителя 5 от трехфазного источника 1 переменного тока, содержащее вентильно-конденсаторный выпрямитель-умножитель напряжения (ВКВУН), образованный шестью диодами и тремя дозирующими конденсаторами. Вентили этого зарядного устройства соединены по схеме трехфазного электрического моста, положительный и отрицательный выходные выводы которого соединены с емкостным накопителем 5 энергии, а три входа упомянутого моста через дозирующие конденсаторы подключены к трем фазовым выводам 2, 3 и ТИПТ 1, обмотки которого соединены по схеме звезды с нейтралью. Вывод этой нейтрали через ключ или вентиль двухсторонней проводимости подключен к отрицательному выводу моста [1] Недостатки этого устройства: во-первых, сравнительно малые идеальный и практический коэффициенты использования ТИПТ 1 по мощности не превышающие величины 0,25; во-вторых, наличие большого числа вентилей и дозирующих конденсаторов; в третьих, выходное напряжение имеет сравнительно низкое значение, не превышающее удвоенного амплитудного значения фазового напряжения источника 1; в четвертых, в системе невозможно применение трехфазного источника переменного тока, фазовые обмотки которого соединены по схеме "треугольник". Все эти недостатки существенно ухудшают удельные энергетические показатели системы.

Известно также устройство заряда емкостного накопителя 5 от трехфазного источника 1 переменного тока через вентильно-конденсаторный преобразователь-умножитель напряжения, образованный двумя вентилями 11 и 13 и двумя дозирующими конденсаторами (ДК) 8 и 9, соединенными в вентильно-конденсаторные ячейки, в первой из которых вентиль 11 анодом, а во второй вентиль 13 катодом соединен с обкладками ДК 8 и ДК 9 соответственно, к выходным клеммам которого через третий вентиль 10, например, управляемый, подключен заряжаемый емкостной накопитель (ЕН) 5. При этом фазовые обмотки трехфазного источника 1 переменного тока разобщены и две из них включены соответственно между крайними выводами вентильно-конденсаторных ячеек, а третья между точками соединения конденсаторов и диодов обеих ячеек [2] Такое устройство обеспечивает заряд ЕН 5 в режиме сильно переменной средней за период изменения напряжения источника 1 мощности до напряжения в 5,2 раз превышающего амплитуду фазового напряжения источника 1, а в режиме слабопеременной средней за период изменения напряжения источника 1 мощности до напряжения в 2,6 раз превышающего амплитуду фазового напряжения источника.

Недостаток такого устройства в сравнительно малых идеальном и практическом коэффициентах использования ТИПТ 1 по мощности при заряде дозирующих конденсаторов 8 и 9 превышающий величины 0,25, что ухудшает ее удельные энергетические показатели. Кроме того на практике разобщение фазовых обмоток источника 1 не всегда достижимо, что существенно сужает функциональные возможности системы, усложняет ее применение и тем самым ограничивает область ее использования.

Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению является устройство для заряда емкостного накопителя энергии, содержащее трехфазный источник 1 переменного тока с тремя выводами 2, 3 и 4, емкостной накопитель 5 энергии с двумя выводами 6 и 7, первый дозирующий конденсатор 8, одна обкладка которого связана с третьим выводом 4 трехфазного источника 1 переменного тока, второй дозирующий конденсатор 9, одна обкладка которого подключена к первому выводу 2 трехфазного источника 1 переменного тока, зарядный тиристор 10, катод которого подключен к первому выводу 6 емкостного накопителя 5, а анод к другой обкладке второго дозирующего конденсатора 9, четыре вентиля 11, 12, 13 и 14, катод первого вентиля 11 подключен ко второму выводу 3 трехфазного источника 1 переменного тока и к аноду третьего вентиля 13, а его анод к другой обкладке первого дозирующего конденсатора 8, катод второго вентиля 12 соединен с одной обкладкой первого дозирующего конденсатора 8, вторая обкладка которого подключена к аноду второго вентиля 12, катод четвертого вентиля 14 подключен к катоду третьего вентиля 13 и к другой обкладке второго дозирующего конденсатора 9, одна обкладка которого соединена с анодом четвертого вентиля 14, и блок 15 управления устройством, первый, второй и третий выводы которого связаны с первым 2, вторым 3 и третьим 4 выводами соответственно трехфазного источника 1 переменного тока (ТИПТ1), а четвертый и пятый его выводы с управляющим переходом зарядного тиристора 10 [3] Это устройство допускает соединение фазовых обмоток А, В и С ТИПТ 1 как по схеме "звезда", так и по схеме треугольника и обеспечивает заряд емкостного накопителя (ЕН) 5 в режиме сильно переменной средней за период изменения напряжения источника 1 мощности до напряжения, в 2 раза превышающего амплитуду линейного напряжения ТИПТ 1, а в режиме слабопеременной средней за период измерения напряжения источника 1 мощности до амплитуды линейного напряжения ТИПТ 1.

Недостатки такого известного устройства системы: во-первых, сравнительно малый идеальный коэффициент использования ТИПТ 1 по мощности, под которым понимается отношение средней мощности источника 1 к его максимальной мощности, не превышающий при заряде ДК 8 или ДК 9 К_ии8 K_ии9 0,25, а при заряде ЕН 5 от последовательно-согласно включенных ТИПТ 1, ДК 8 и ДК 9 - величины К_ии5 0,283 даже при включении в цепь заряда ЕН 5 дополнительного резистора с сопротивлением R, который уменьшает относительное время заряда ЕН 5 за половину периода изменения линейного напряжения U₄₂ ТИПТ 1 (t t_π=π/ω) до приемлемой величины t_π*=t_π/τ_сэ=π/(ωr_c5-c_э) 3, где τ_сэ r_c5C_э r_c5C/2 постоянная времени системы, r_c5 активное сопротивление системы при заряде ЕН 5 через дополнительный резистор с сопротивлением R, обеспечивающее требуемое относительное время t_π* 3, C_э C/2 эквивалентная емкость системы при емкости ДК 8 или ДК 9 С₈ C₉ C << C_н, C_н емкость ЕН 5, ω=2πf - круговая частота изменения линейных напряжений источника 1 с частотой f (при t_π* > 3 коэффициент К_ии5 существенно уменьшается, а при сопротивлении дополнительного резистора R ≈ 0 относительное время t_π* ≈ 30 и коэффициент использования источника 1 по мощности при заряде ЕН 5 К_ии5 приближается к нулю); во-вторых, сравнительно малый КПД заряда емкостного накопителя 5 в пределе (при t_π* _→ ∞) не превышающий величины η_з5 0,5, а при относительном времени t_π* 3 составляющий η_з5 0,418; в- третьих, сравнительно малый практический коэффициент К_ии5 использования ТИПТ 1 по мощности при заряде ЕН 5 от последовательно-согласно соединенных ТИПТ 1, ДК 8 и ДК 9, под которым понимается отношение средней линейной мощности источника P_зср емкостного накопителя (ЕН) 5 к максимальной линейной мощности источника 1 Р_илm P_5m, не превышающий величины K_ип5=P_зер/P_5m=K_ии5-K_знη_з5=0,283·0,75·0,418=0,0895,, где К_зн Р_зср/Р_зm 0,75 коэффициент неравномерности зарядной мощности ЕН 5, Р_зm 1,333 Р_зер максимальная зарядная мощность ЕН 5 при максимальном зарядном напряжении ЕН 5 V_enm V_67m/2,V67m прикладываемое к выводам 6 и 7 ЕН 5 максимальное подзарядное напряжение; в-четвертых, сравнительно большая максимальная установленная мощность трехфазного источника 1 переменного тока (ТИПТ 1) P_иm /К_ип5= 19,5 Р_зер, которая по меньшей мере в 19,5 раз превышает среднюю зарядную мощность Р_зер ЕН 5; в-пятых, сравнительно малый средний КПД базового устройства-прототипа [3] при заряде ДК 8, ДК 9 и ЕН 5 η_зпр≈0,541;; в-шестых, сравнительно большой расход топлива для работы электрической установки с ТИПТ 1, который обратно пропорционален сравнительно малому среднему КПД η_зпр≈0,541 базовой системы прототипа [3] в-седьмых, сравнительно большая мощность потерь энергии в базовом устройстве ΔЗ_сппр=P_зср(1-η_зпр)/η_зпр 0,85 P_зер, составляющая 85% от средней зарядной мощности ЕН 5, а значит и сравнительно большая масса подсистемы ее охлаждения. Все эти недостатки существенно ухудшают удельные энергетические показатели этой базовой системы - устройства-прототипа [3] Технический результат или цель изобретения улучшение удельных энергетических показателей устройства путем уменьшения установленной мощности трехфазного источника переменного тока за счет увеличения практического коэффициента его 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.

Поставленный технический результат или цель изобретения достигается тем, что устройство для заряда емкостного накопителя энергии, содержащее трехфазный источник 1 переменного тока с тремя выводами 2, 3 и 4, емкостной накопитель 5 энергии, первый дозирующий конденсатор 8, второй дозирующий конденсатор 9, одна обкладка которого связана с первым выводом 2 трехфазного источника 1 переменного тока, зарядный тиристор 10, катод которого подключен к первому выводу 6 емкостного накопителя 5, четыре вентиля 11, 12, 13 и 14, анод первого вентиля 11 соединен с одной обкладкой первого дозирующего конденсатора 8, катод второго 12 связан с третьим выводом 4 трехфазного источника 1 переменного тока, анод третьего 13 подключен ко второму выводу 3 трехфазного источника 1 переменного тока и блок 15 управления системой, первый, второй и третий выводы которого связаны с первым 2, вторым 3 и третьим 4 выводами соответственно трехфазного источника 1 переменного тока, а четвертый и пятый его выводы с управляющим переходом зарядного тиристора 10, дополнительно снабжено линейным дросселем 16 с двумя выводами и отводом 0 от части витков его обмотки, первый вывод которого подключен к другой обкладке второго дозирующего конденсатора 9, второй вывод ко второму выводу 7 емкостного накопителя, а отвод 0 к аноду второго вентиля 12, в качестве первого 11, третьего 13 и четвертого 14 вентилей применены тиристоры, анод зарядного тиристора 10 подключен к другой обкладке первого дозирующего конденсатора 8 и к катоду третьего вентиля-тиристора 13, катод первого вентиля-тиристора 11 связан со вторым выводом линейного дросселя 16, анод четвеpтого вентиля-тиристора 14 соединен с третьим выводом 4 трехфазного источника 1 переменного тока, а его катод с анодом первого вентиля-тиристора 11, шестой и седьмой выводы блока 15 управления системой подключены к управляющему переходу первого вентиля-тиристора 11, восьмой и девятый его выводы к управляющему переходу третьего вентиля-тиристора 13, десятый и одиннадцатый выводы к управляющему переходу четвертого вентиля-тиристора 14, двенадцатый и тринадцатый выводы к первому 6 и второму 7 выводам емкостного накопителя, а четырнадцатый и пятнадцатый выводы к одной и другой обкладкам второго дозирующего конденсатора 9, причем емкость С₂ второго дозирующего конденсатора по меньшей мере в 20 раз превышает емкость С первого дозирующего конденсатора 8, а индуктивность L линейного дросселя 16 определяется выражением:

где добротность зарядной цепи устройства системы;
R_ли активное внутреннее линейное сопротивление источника 1;
R_лд активное сопротивление линейного дросселя 16;
R_вп среднее значение сопротивления вентиля-тиристора в проводящем направлении;
f частота изменения линейного напряжения трехфазного источника 1 переменного тока.

Существенными признаками предлагаемого устройства для заряда емкостного накопителя энергии (см. фиг. 1) является снабжение базового устройства-прототипа [3] дополнительно линейным дросселем (ЛД) 16 с двумя выводами и отводами 0 от части витков его обмотки, первый вывод которого подключен ко второй обкладке второго дозирующего конденсатора (ДК) 9, второй вывод ко второму выводу 7 емкостного накопителя (ЕН) 5, а отвод 0 к аноду второго вентиля 12, и определение индуктивности L ЛД 16 между первым и вторым его выводами по приведенному выше выражению, что позволяет заряжать первый ДК 8 (от последовательно-согласно включенных ДК 9 и ТИПТ 1) и ЕН 5 (от последовательно-согласно включенных ДК 8, ДК 9 и ТИПТ 1) через один и тот же линейный дроссель 16 оптимальным образом полными полупериодами практически синусоидального тока. Это создает возможность во-первых, увеличить КПД заряда ЕН 5 через ЛД 16 от η_з5пр=η_знпр=0,418 в прототипе [3] до максимально возможной величины η_з5=η_зн≈0,9998 в предлагаемом устройстве; во-вторых, увеличить идеальный коэффициент использования самой нагруженной линии 4-2 ТИПТ 1 по мощности (при заряде ЕН 5 через ЛД 16) от К_ии5пр K_иипр ≈ 0,283 у прототипа [3] до величины К_ии5 K_иин 0,5 в предлагаемом устройстве, а линии 2-3 ТИПТ 1 по мощности от K_ии9пр K_ии8пр 0,25 у прототипа [3] до K_ии8 K_иис 0,5 в предлагаемом устройстве; в-третьих, увеличить практический коэффициент использования самой нагруженной линии 4-2 ТИПТ 1 по мощности (при заряде ЕН) от величины К_ип5пр K_ипнпр K_иинпр · K_зн η_знпр 0,283 · 0,75 · 0,418 ≈ 0,089 у прототипа [3] до η_зн 0,5 · 0,75 · 0,998 ≈ 0,375 в предлагаемой системе; в-четвертых, уменьшить максимальную установленную мощность трехфазного источника 1 переменного тока от 19,5 P_зер у прототипа [3] до P_иm 4,66 P_зср в предлагаемом устройстве, а значит и массу самого тяжелого агрегата предлагаемого устройства и прототипа; в-пятых, увеличить средний КПД устройства от η_зпр 0,541 в прототипе до η_з 0,9765 в предлагаемом устройстве; в-шестых, в η_з/η_зпр 1,8 раз уменьшить расход топлива для работы энергетической установки с ТИПТ 1; в-седьмых, уменьшить мощность потерь энергии в устройстве-системе от ΔP_сппр=P_зер(1-η_зпр)/η_зпр 0,85 Р_зер в прототипе [3] до ΔP_сп=P_зер(1-η_з)/η_з 0,024 P_зер в предлагаемом устройстве. Все это минимум в 3,68 раз улучшает удельные энергетические показатели предлагаемого устройства по сравнению с прототипом [3]
Следовательно, снабжение устройства для заряда емкостного накопителя энергии дополнительно линейным дросселем с двумя выводами и отводом от части витков его обмотки, новыми связями между ее элементами и выбор индуктивности L линейного дросселя в соответствии с приведенным выше выражением обеспечивает неочевидность схемно-технического и параметрического решения задачи и, отличая заявленную систему от прототипа [3] существенно в 3,44 раз улучшает удельные энергетические показатели системы путем уменьшения в 4,2 раз установленной мощности трехфазного источника 1 переменного тока за счет увеличения в 4,2 раз практического коэффициента использования самой нагруженной линии 4-2 ТИПТ 1 по мощности (при заряде ЕН 5 от последовательно-согласно включенных ДК 8, ДК 9 и источника 1) и увеличения в 1,8 раз КПД устройства, что дополнительно уменьшает в 1,8 раз расход топлива для работы энергетической установки с упомянутым источником 1 и в 35,4 раз мощность потерь энергии в устройстве, а значит и массу подсистемы его охлаждения.

Отсутствие в технической и патентной литературе сведений (рекомендаций) по выполнению заявленного устройства в целях достижения описанного в заявке эффекта (результата), показывает новизну взаимосвязи между совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения и его положительным эффектом. Это обеспечивает существенные отличия данного изобретения от всех известных устройств аналогичного назначения при неочевидности предложенного схемно-технического и параметрического решения задачи.

На фиг. 1 приведена схема устройства для заряда емкостного накопителя энергии согласно изобретению на фиг.2 возможная схема блока 15 управления устройством; на фиг.3 схемы замещения предлагаемого устройства, поясняющие его работу; на фиг.4 графические зависимости среднего КПД предлагаемого η_з и базового η_зпр 0,541 устройств и практического коэффициента использования самой нагруженной линии 4-2 трехфазного источника 1 переменного тока (ТИПТ 1) по мощности (при заряде ЕН 5 от последовательно-согласно включенных ДК 8, ДК 9 и ТИПТ 1) для предлагаемой K_ип5 K_ии5 · K_зп · η_зн 0,5 · 0,750 · η_зн ≈ 0,375 и базовый K_ип5пр K_ии5пр · K_зп · η_зн 0,283 · 0,75 · 0,418 ≈ 0,0890 систем от добротности Q предлагаемого устройства при заряде первого дозирующего конденсатора 8 и емкостного накопителя 5 через линейный дроссель 16, показывающие существенные преимущества предлагаемой системы по сравнению с базовым устройством прототипом [3]
Предложенное устройство для заряда емкостного накопителя энергии по фиг. 1 содержит: трехфазный источник 1 переменного тока с тремя выводами 2, 3 и 4; емкостной накопитель 5 энергии с двумя выводами 6 и 7; первый дозирующий конденсатор 8; второй дозирующий конденсатор 9, одна обкладка которого связана с первым выводом 2 трехфазного источника 1 переменного тока; зарядный тиристор 10, катод которого подключен к первому выводу 6 емкостного накопителя 5; первый 11, третий 13, четвертый 14, вентили-тиристоры и второй 12 вентиль-диод; блок 15 управления системой по меньшей мере с пятнадцатью выводами и линейный дроссель 16 с двумя выводами и отводом 0 от части витков его обмоток. Первый вывод линейного дросселя 16 подключен к другой обкладке второго дозирующего конденсатора 9, второй его вывод к второму выводу 7 емкостного накопителя 5 и к катоду первого вентиля-тиристора 11, а отвод 0 от части витков его обмотки к аноду второго вентиля 12, катод которого связан с третьим выводом 4 трехфазного источника 1 переменного тока. Катод зарядного тиристора 10 подключен к первому выводу 6 емкостного накопителя 5, а его катод к точке соединения катода третьего вентиля-тиристора 13 с другой обкладкой первого дозирующего конденсатора 8. Анод третьего вентиля-тиристора 13 соединен со вторым выводом 3 трехфазного источника 1 переменного тока. Анод первого вентиля-тиристора 11 подключен к одной обкладке первого дозирующего конденсатора 8 и к катоду четвертого вентиля-тиристора 14, анод которого соединен с третьим выводом 4 трехфазного источника 1 переменного тока. Первый, второй и третий выводы блока 15 управления системой связаны с первым 2, вторым 3 и третьим 4 выводами соответственно трехфазного источника 1 переменного тока, четвертый и пятый его выводы с управляющим электродом и катодом зарядного тиристора 10, шестой и седьмой выводы с управляющим электродом и катодом первого вентиля-тиристора 11, восьмой и девятый выводы с управляющим электродом и катодом третьего вентиля-тиристора 13, десятый и одиннадцатый выводы с управляющим электродом и катодом четвертого вентиля-тиристора 14, двенадцатый и тринадцатый выводы с первым 6 и вторым 7 выводами емкостного накопителя 5, четырнадцатый и пятнадцатый выводы с одной и другой обкладкой второго дозирующего конденсатора 9, а шестнадцатый и семнадцатый выводы (см. фиг. 2) с управляющим электродом и катодом управляемого замыкающего коммутатора УЗК типа тиристорного ключа или управляемого разрядника, подключающего импульсную нагрузку с сопротивлением R_н к выводам 6 и 7 емкостного накопителя 5 энергии. При этом емкость С₂ второго дозирующего конденсатора 9 по меньшей мере в 20 раз превышает емкость С первого дозирующего конденсатора 8, а индуктивность L линейного дросселя 16 определяется оптимальным (по максимуму КПД системы) выражением:

где добротность зарядной цепи системы, R_ли активное линейное сопротивление источника 1, R_лд активное сопротивление линейного дросселя 16, R_вп среднее сопротивление вентиля-тиристора или зарядного тиристора в проводящем направлении, f частота изменения линейного напряжения трехфазного источника 1 переменного тока.

Примерная схема выполнения блока 15 управления устройством по фиг. 5 содержит: первый импульсный трансформатор 17 с первичной обмоткой 18 и двумя вторичными обмотками 19 и 20; второй импульсный трансформатор 21 с первичной обмоткой 22 и двумя вторичными обмотками 23 и 24; компараторы 25 и 28 с выходными триггерами, получающий питание от выводов 2 и 4 трехфазного источника 1 переменного тока через понижающий трансформатор 26 и мостовой выпрямитель с фильтром; тиристоры 29 и 30 управления начальным зарядом дозирующего конденсатора 9; 31, 32, 33 и 34 резисторы делителей линейный напряжений U₂₃ и U₄₂ трехфазного источника 1 переменного тока. Первичная обмотка 18 первого импульсного трансформатора 17 включена параллельно резистору 31 делителя линейного напряжения U₂₃ источника 1, а начала его вторичных обмоток 19 и 20 объединены вместе и подключены к катоду тиристора 29 управления начальным зарядом второго дозирующего конденсатора 9, анод которого связан с катодами первого 11 и третьего 13 вентилей-тиристоров. Концы вторичных обмоток 19 и 20 первого импульсного трансформатора 17 через развязывающие диоды соединены с управляющими электродами первого 11 и третьего 13 вентилей-тиристоров соответственно. Первичная обмотка 22 второго импульсного трансформатора 21 включена параллельно резистору 33 делителя линейного напряжения U₄₂ источника 1, а концы его вторичных обмоток 23 и 24 объединены вместе и подключены к катоду тиристора 30 управления начальным зарядом второго дозирующего конденсатора 9, анод которого связан с катодами зарядного тиристора 10 и четвертого вентиля-тиристора 14. Начала вторичных обмоток 23 и 24 второго импульсного трансформатора 21 через развязывающие диоды соединены с управляющими электродами зарядного тиристора 10 и четвертого вентиля-тиристора 14 соответственно. Первый и второй выводы компаратора 25 связаны с выводами 6 и 7 емкостного накопителя 5, а третий и четвертый его выводы с управляющим электродом и катодом управляемого замыкающего коммутатора УЗК подключена к импульсной нагрузке R_н к выводам 6 и 7 емкостного накопителя 5. Первый и второй выводы компаратора 28 подключены к одной и второй обкладкам второго дозирующего конденсатора 9, третий и четвертый его выводы (вывод триггера) к управляющим электродам и катодам тиристоров 29 и 30 управления начальным зарядом второго дозирующего конденсатора 9, а пятый и шестой выводы к выходным выводам мостового выпрямителя 27 с фильтром.

Работа предлагаемого устройства.

В исходном положении (см. фиг. 2) тиристоры 29 и 30 управления начальным зарядом дозирующего конденсатора 9 закрыты, а значит закрыты зарядный тиристор 10 и вентили-тиристоры 11, 13 и 14.

Когда потенциал вывода 2 выше потенциала вывода 4 источника 1 происходит заряд второго дозирующего конденсатора (ДК) 9 (см. фиг. 6,а) по цепи: источник 1 вывод 2 ДК 9 часть обмотки линейного дросселя (ЛД) 16 отвод 0 - вентиль 12 вывод 4 источник 1. Примерно за 5-10 периодов изменения линейного напряжения U₄₂ трехфазного источника 1 переменного тока (ТИПТ 1) дозирующий конденсатор (ДК) 9 зарядится до амплитуды линейного напряжения U_9m U_mл ТИПТ 1 и компаратор 28, сравнивающий напряжение заряда ДК 9 с соответствующим амплитуде линейного напряжения источника 1 опорным напряжением компаратора выдает постоянное открывающее напряжение на управляющие переходы тиристоров 29 и 30 управления начальным зарядом дозирующего конденсатора 9 и они открываются.

При отрицательном полупериоде изменения линейного напряжения источника 1 (когда потенциал вывода 3 выше потенциала вывода 2) первый импульсный трансформатор 17 своими выходными импульсами напряжения открывает первый 11 и третий 13 вентили-тиристоры, второй дозирующий конденсатор (ДК) 9 соединяется последовательно-согласно с ТИПТ1 и от них по цепи (см. фиг. 6,б): источник 1 вывод 3 тиристор 13 ДК 8 тиристор 11 ЛД 16 ДК 9 вывод 2 источник 1 происходит заряд первого дозирующего конденсатора 8 полупериодом практически синусоидального тока до максимального напряжения в конце отрицательного полупериода изменения линейного напряжения U₂₃ источника 1

где добротность зарядной цепи системы при заряде ДК 8, L индуктивность линейного дросселя (ЛД) 16, С₈ C емкость ДК 8, С₉ 20 C₈ 20 С емкость ДК 9, r_c8 R_ли + R_лд + R_13п + R_11п активное сопротивление системы при заряде ДК8, R_ли активное линейное сопротивление ТИПТ 1, R_лд - активное сопротивление ЛД 16, R_13п R_14п R_вп среднее сопротивление вентилей-тиристоров 18 и 11 в проводящем направлении. Простое приближенное выражение (2) получено путем аппроксимации точной зависимости максимального напряжения U_8m на ДК 8 от добротности Q системы, рассчитанной по весьма громоздкому соотношению, позволяет определять напряжение U_8m с погрешностью: при Q 10 2,5% при Q 20 около 1% а для реальной добротности устройства Q ≥ 50 погрешность пренебрежимо мала.

При положительном полупериоде изменения линейного напряжения источника 1 (когда потенциал вывода 4 выше потенциала вывода 2) второй импульсный трансформатор 21 своими выходными импульсами напряжения открывает зарядный тиристор 10 и четвертый вентиль-тиристор 14, первый (8) и второй (9) дозирующие конденсаторы соединяются последовательно согласно друг с другом и с ТИПТ 1 и от них по цепи (см. фиг. 3,в): источник 1 вывод 4 тиристор 14 - ДК 8 тиристор 10 вывод 6 ЕН 5 вывод 7 ЛД 16 ДК 9 вывод 2 - источник 1 происходит заряд емкостного накопителя (ЕН) 5 полупериодом практически синусоидального тока и в начале этого положительного полупериода к выводам 6 и 7 ЕН 5 прикладывается максимальное напряжение

где добротность зарядной цепи системы при заряде ЕН 5, r_c5 R_ли + R_лд + R_10п + R_14п ≈ r_с8 - активное сопротивление системы при заряде ЕН 5 через ЛД 16, ДК 8 и ДК 9 практически равное активному сопротивлению r_с8 системы при заряде ДК 8 через ЛД 16 и ДК 9, так как сопротивление тиристоров 10 и 14 R_10п R_14п в проводящем направлении много меньше суммы сопротивлений R_лн + R_лд, U_9к* U_9к/U_тл ≈ 0,8 - относительное конечное напряжение разряда ДК 9 на ДК 8.

При отрицательном полупериоде изменения линейного U₄₂ источника 1 (когда потенциал вывода 2 выше потенциала вывода 4) описанным выше путем происходит подзаряд второго дозирующего конденсатора 9 снова до амплитуды линейного напряжения источника 1 U_9m U_mл. И так далее циклически в течении последующих периодов изменения линейных напряжений U₄₂ и U₂₃ источника 1, причем в конце каждого рабочего положительного полупериода изменения линейного напряжения U₄₂ ТИПТ 1 ток заряда ЕН 5 через линейный дроссель 16 с индуктивностью L

где U₅ f(t_з) текущее увеличивающееся в течении времени заряда t_з ЕН 5 зарядное напряжение емкостного накопителя, приближается к нулю и вентили-тиристоры 14 и 10 естественным образом закрываются (самопогасают).

Если принять максимальное напряжение заряда емкостного накопителя 5 в соответствии с выражением:

то заряд ЕН 5 будет протекать в режиме слабопеременной средней за период изменения линейного напряжения U₄₂ ТИПТ 1 мощности, когда максимальная зарядная мощность ЕН 5 в начале его заряда P_зm P_зo 1,333 C_н U²_ЕНm/2/(2t_зк) 1,333 Р_зср, где С_н >> C емкость ЕН 5, t_зк время заряда ЕН 5 до максимального напряжения U_енm, в конце его заряда P_зк 0,75 P_зер, а средняя зарядная мощность ЕН 5 определяется соотношением:
P_зер=(P_зm+P_зк)/2=C_нU²_ЕНm/(2t_зк).
Следовательно, коэффициент неравномерности зарядной мощности ЕН 5, равный отношению средней зарядной мощности Р_зер ЕН 5 к его максимальной зарядной мощности Р_зm 1,333 P_зер, составит К_зн P_зер/P_зm 0,75.

Когда напряжение заряда емкостного накопителя 5 U₅ U_ен достигает заданного максимального значения U₅ U_енm U_67m/2 компаратор 25 выдает открывающий (поджигающий) импульс напряжения на открытие (замыкание) управляемого замыкающего коммутатора УЗК (см. фиг. 5) типа тиристорного ключа для управляемого разрядника, последний срабатывает и происходит разряд емкостного накопителя 5 на импульсную нагрузку с сопротивлением R_н. Затем следует заряд ЕН 5 снова до максимального заданного напряжения U_енm и его разряд на импульсную нагрузку длительностью τ_пи. И так далее циклически с частотой следования разрядных импульсов f_пи=1/(t_зк+τ_пи), где t_зк время заряда ЕН 5 до максимального заданного напряжения U_енm.

КПД заряда первого дозирующего конденсатора 8 через ЛД 16 и ДК 9 определяется выражением:

τ²_LC8 LC₈ квадрат характеристического времени устройства-системы при заряде ДК 8, а τ_L=L/r_c8 постоянная времени устройства.

КПД заряда емкостного накопителя 5 через ЛД 16 и ДК 8 и 9 определяется выражением:

t_*зк=t_зк/τ_L относительное время заряда ЕН 5, нормированное по постоянной времени системы τ_L=L/r_C5≈L/r_C8, τ²_LC5=LC₅- характеристическое время устройства в квадрате при заряде ЕН 5.

КПД подзаряда второго дозирующего конденсатора 9 через часть обмотки линейного дросселя 16 с индуктивностью L₀ определяется выведенным нами выражением:

добротность устройства при заряде ДК 9, С₉ ≥ 20 C₈ 20 С емкость ДК 9, τ²_LoC9=L_oC₉ характеристическое время устройства в квадрате при заряде ДК 9, τ_Lo=L_o/r_C9 постоянная времени устройства, r_с9 R_ли + R_лд0 + R_12п активное сопротивление устройства при заряде ДК 9 через часть обмотки ЛД 16 с активным сопротивлением R_лд0 ≈ R_лдL₀/L, R_12П среднее сопротивление второго вентиля 12 в проводящем направлении.

Средний КПД устройства при заряде емкостного накопителя через вентильно-конденсаторно-дроссельный преобразователь-умножитель напряжения (ВКД ПУН) определяется очевидным соотношением:

где P_9m, P_8m и P_5m максимальная мощность линий 2-4, 2-3 и 4-2 соответственно трехфазного источника 1 переменного тока (ТИПТ 1).

Идеальный коэффициент использования линий 2-3 или 4-2 ТИПТ 1 по мощности при заряде ДК 8 или ЕН 5, под которым понимается отношение средней мощности этих линий к их максимальной мощности, определяется выведенным выражением и в диапазоне изменения добротности Q системы от двух до бесконечности и составляет K_ии8 K_ип5 ≈ 0,5, а идеальный коэффициент использования линии 2-4 ТИПТ 1 по мощности при заряде ДК 9 определяется выражением:

где U_9к* U_9к/U_mл ≈ 0,8 относительное конечное напряжение разряда ДК 9 на ДК 8, нормированное по амплитуде U_mл линейного напряжения ТИПТ 1.

Практический коэффициент использования самой нагруженной линии 4-2 трехфазного источника 1 переменного тока по мощности (при заряде ЕН 5 от последовательно-согласно включенных ДК 8, ДК 9 и ТИПТ 1 через ЛД 16), под которым понимается отношение средней зарядной мощности P_зер=C_нU²_ЕНm/(2t_зк)=E_зм/t_зк емкостного накопителя 5 к максимальной мощности Р_5m R_илm этой линии ТИПТ 1 определяется очевидным выражением:
K_ип5=P_зер/P_5m=K_ии5K_зпη_з5. (9)
Максимальная установленная мощность ТИПТ 1

Средний практический коэффициент использования ТИПТ 1 по мощности при заряде ЕН 5 через ВКД ПУН определяется соотношением:

Мощность потерь энергии в предлагаемой системе
ΔP_сп=P_зер(1-η_з)/η_з. (12)
Наглядные преимущества предлагаемого устройства-системы по фиг. 1 над базовым устройством-системой прототипом [3] видны из фиг. 4, где приведены графические зависимости рассчитанного по соотношению (8) с учетом выражений (5), (6), (7) и (9) среднего КПД предлагаемой системы η_з и базовой системы - прототипа η_зпр≈0,541 от добротности Q предлагаемых систем, а также графические зависимости рассчитанного по выражению (9) с учетом выражения (6) практического коэффициента использования самой нагруженной линии 4-2 ТИПТ 1 по мощности при заряде ЕН 5 предлагаемой системы К_ип5 и базовой системы - прототипа [3] K_ип5пр=K_ии5прK_зпη_35пр 0,283 · 0,75 · 0,418 ≈ 0,0895 от добротности Q предлагаемой системы.

Видим, что для реальных добротностей предлагаемого устройства Q ≥ 60 и Q₉ ≥ 10: практический коэффициент использования самой нагруженной линии 4-2 ТИПТ 1 по мощности при заряде ЕН 5 через ЛД 16 в предлагаемой системе K_ип5=K_ии5K_зпη_з5≈0,5·0,75·0,999≈0,375,, что в 4,2 раза больше практического коэффициента использования самой нагруженной линии 4-2 ТИПТ 1 по мощности (при заряде ЕН 5 базовой системы прототипа [3] K_ип5пр ≈ 0,0895), а это приводит к тому, что мощность и масса самого тяжелого агрегата предлагаемой и базовой систем ТИПТ1 P_иm /K_ип5 и m_и α_иP_нm в базовой системе прототипе [3] P_иmпр ≈ 19,5 Р_зер в 4,2 раза больше, чем в предлагаемой системе Р_иm 4,66 P_зер. Это приводит к улучшению (увеличению) таких важнейших удельных энергетических показателей, как удельные энергия и мощность предлагаемого устройства системы по его массе m_пс (W_em E_зm/m_пс 0,680 кДж/кг и W_рm P_зер/m_пр P_зер/m_пр 0,136 кВт/кг) в 3,68 раз по сравнению с базовым устройством-прототипом [3] (W_еmпр E_зm/m_пр 0,136 кДж/кг и W_рmпр P_зер/m_пр 0,0370 кВт/кг), где E_зм=C_нU_ЕНm/2 максимальная энергия заряда ЕН 5 до максимального напряжения U_eит, m_пр масса базового устройства прототипа [3] Кроме того средний КПД предлагаемого устройства - системы (η_з= 0,9765 при добротностях Q ≈ 160 и Q₉ ≈ 21) в 1,82 раз больше чем в прототипе η_зпр 0,541), что дополнительно уменьшает в 1,82 раз расход топлива для работы энергетической установки с трехфазным источником 1 переменного тока и в 35,4 раза мощность потерь энергии предлагаемого устройства (ΔP_сп=P_зср(1-η_з)/η_з=0,024P_зер) по сравнению с прототипом ΔP_сппр=P_зер(1-η_зпр)/η_зпр=0,85P_зер), а значит и массу подсистемы его охлаждения.

Указанные выше технико-экономические параметры предлагаемой и базовой систем устройств получены при следующих исходных параметрах емкостного накопителя (ЕН) 5, трехфазного источника 1 переменного тока (ТИПТ 1), дозирующих конденсаторов (ДК) 8 и 9 и линейного дросселя (ЛД) 16: максимальная энергия заряда ЕН 5 E_зт 100 кДж; максимальное напряжение заряда ЕН 5 U_ент 1000 В; время заряда ЕН 5 до максимального напряжения U_ент t_зк 5 с; удельная масса ДК 8 и ДК 9 типа ЭСКВ α_дк 0,065 кг/кВтр (4,а); достигнутая в США удельная энергия ЕН 5 с пленочным полипропиленовым диэлектриком W_еmен 3 кДж/кг; частота изменения линейных напряжений ТИПТ 1 f 1000 Гц; удельная масса ТИПТ 1 оптимально спроектированного трехфазного трансформатора для частоты f 1000 Гц составит α_и ≈ 1,25 кг/кВт для предлагаемой системы и α_ипр ≈ 1,3 кг/кВт для базового устройства прототипа [3] соотношение емкостей ДК 8 (С₈ С) ДК 9 (C₉) и ЕН 5 (C_н) C₈ C 0,05 C₉ << C_н в предлагаемом устройстве и C₈ C₉ C << C_н в базовом устройстве прототипе [3] удельная масса ЛД 16 α_лд 1,35 кг/кВт.

Следовательно, такие важнейшие удельные энергетические показатели как удельная энергия W_em и удельная мощность W_рm предлагаемого устройства системы по ее массе улучшаются (увеличиваются) по сравнению с базовым устройством системой прототипом [3] в 3,68 раз путем уменьшения в 4,2 раз максимальной установленной мощности ТИПТ 1 за счет увеличения в 4,2 раз практического коэффициента использования самой нагруженной линии 4-2 ТИПТ 1 по мощности (при заряде ЕН 5 от последовательно-согласно соединенных ДК 8, ДК 9 и источника 1), а КПД предлагаемой системы увеличивается в 1,8 раз, что дополнительно уменьшает в 1,8 раз расход топлива для работы энергетической установки с ТИПТ 1 и в 35,4 раз мощность потерь энергии в предлагаемой системе и массу подсистемы ее охлаждения.

Таким образом, снабжение устройства для заряда емкостного накопителя дополнительно линейным дросселем 16 с двумя выводами и отводом 0 от части витков его обмотки, новыми связями между ее элементами и выбор индуктивности L линейного дросселя 16 в соответствии с выражением (1), обеспечивая неочевидность схемно-технического и параметрического решения задачи, существенно в 3,68 раз улучшает удельные энергетические показатели системы путем уменьшения в 4,2 раз максимальной установленной мощности трехфазного источника 1 переменного тока (ТИПТ) за счет увеличения в 4,2 раз практического коэффициента использования самой нагруженной линии 4-2 ТИПТ 1 по мощности (при заряде ЕН 5 от последовательно-согласно включенных ДК 8, ДК 9 и источника 1) и увеличения в 1,8 раз КПД устройства при заряде ДК 8, ДК 9 и ЕН 5, что дополнительно уменьшает в 1,8 раз расход топлива для работы энергетической установки с упомянутым источником 1 и в 35,4 раз мощность потерь энергии в устройстве, а значит и массу подсистемы его охлаждения.

Формула изобретения

Устройство для заряда емкостного накопителя энергии, содержащее трехфазный источник переменного тока с тремя выводами, емкостной накопитель энергии, первый дозирующий конденсатор, второй дозирующий конденсатор, первая обкладка которого связана с первым выводом трехфазного источника переменного тока, зарядный тиристор, катод которого подключен к первому выводу емкостного накопителя энергии, четыре вентиля, при этом анод первого вентиля соединен с одной обкладкой первого дозирующего конденсатора, катод второго связан с третьим выводом трехфазного источника переменного тока, анод третьего подключен к второму выводу трехфазного источника переменного тока, и блок управления устройством, первый, второй и третий выводы которого связаны с первым, вторым и третьим выводами трехфазного источника переменного тока, а четвертый и пятый его выводы с управляющим переходом зарядного тиристора, отличающееся тем, что, с целью улучшения его удельных энергетических показателей путем уменьшения установленной мощности трехфазного источника переменного тока за счет увеличения практического коэффициента использования его по мощности и увеличения КПД системы (что дополнительно уменьшает расход топлива для работы энергетической установки с упомянутым источником и мощность потерь энергии в системе, а также массу подсистемы ее охлаждения), оно дополнительно снабжено линейным дросселем с двумя выводами и отводом от части витков его обмотки, первый вывод которого подключен к второй обкладке второго дозирующего конденсатора, второй вывод к второму выводу емкостного накопителя, а отвод к аноду второго вентиля, в качестве первого, третьего и четвертого вентилей применены тиристоры, анод зарядного тиристора подключен к второй обкладке первого дозирующего конденсатора и к катоду третьего вентиля-тиристора, катод первого вентиля-тиристора связан с вторым выводом линейного дросселя, анод четвертого вентиля-тиристора соединен с третьим выводом трехфазного источника переменного тока, а его катод с анодом первого вентиля-тиристора, шестой и седьмой выводы блока управления подключены к управляющему переходу первого вентиля-тиристора, восьмой и девятый его выводы к управляющему переходу третьего вентиля-тиристора, десятый и одиннадцатый выводы к управляющему переходу четвертого вентиля-тиристора, двенадцатый и тринадцатый выводы к первому и второму выводам емкостного накопителя энергии, а четырнадцатый и пятнадцатый выводы к первой и второй обкладкам второго дозирующего конденсатора, причем емкость С₂ второго дозирующего конденсатора по меньшей мере в 20 раз превышает емкость С первого дозирующего конденсатора, а индуктивность L линейного дросселя определяется выражением

где добротность зарядной цепи устройства,
R_ли активное линейное сопротивление источника;
R_лд активное сопротивление линейного дросселя;
R_вп среднее значение сопротивления вентиля-тиристора в проводящем направлении;
f частота изменения линейного напряжения трехфазного источника переменного тока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4