Устройство для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки
Владельцы патента RU 2566677:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН) (RU)
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для фильтрации выходного напряжения источника, предназначенного для питания различных потребителей постоянного тока. Технический результат заключается в уменьшении токовых нагрузок на питающий источник напряжения постоянного тока и на конденсатор нагрузки, повышение надежности работы и расширение области применения. Устройство для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки содержит источник напряжения постоянного тока, ключ, два блока управления, устройство задания напряжения, блок ограничения заданного уровня зарядного тока конденсатора нагрузки, датчик тока, клеммы для подключения конденсатора нагрузки, реактор и диод. 2 ил.
Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для ограничения зарядного тока конденсатора, в частности для ограничения зарядного тока конденсатора, подключенного к входу инвертора.
Известно устройство для ограничения зарядного тока конденсатора (http://electrum-av.com/ru/, Новиков П.А. Плавный заряд емкости: что выбрать? Рис. 1).
Известное устройство для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки состоит из резистора, подключенного между источником питания и конденсатором нагрузки, реле с замыкающим контактом, подключенным параллельно резистору и системы управления, обеспечивающей срабатывание реле при увеличении напряжения на конденсаторе нагрузки до заданного уровня или по прошествии определенного времени с момента включения.
Недостатки устройства обусловлены тем, что катушка реле в основном режиме работы устройства остается подключенной к сети, что снижает ресурс ее работы и увеличивает вероятность отказа.
Известно устройство для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки, наиболее близкое по технической сущности к заявляемому устройству (http://electrum-av.com/ru/, Новиков П.А. Плавный заряд емкости: что выбрать? Рис. 3) - прототип.
Устройство для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки состоит из ключа, силовые выводы которого подключены между первым выводом источником питания и первым выводом конденсатора нагрузки, а второй вывод источника питания подключен ко второму выводу конденсатора нагрузки непосредственно, и блока управления, выход которого подключен к управляющему выводу ключа. При включении источника питания система управления в соответствии с заданным алгоритмом генерирует импульсы управления, что вызывает периодическое замыкание ключа и постепенный заряд конденсатора нагрузки с соответствующим ограничением значения зарядного тока.
Недостаток известного устройства для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки обусловлен тем, что у него не контролируются импульсные значения тока заряда в интервалах проводимости ключа. Вместе с тем, при сочетании процесса заряда конденсатора нагрузки с возможными случайными изменениями напряжения источника питания в виде выбросов напряжений, ограничение тока заряда будет отличаться от запрограммированного, и амплитуда импульсов тока на отдельных интервалах коммутации может превысить допустимое значение.
В основу заявляемого изобретения поставлена задача устранить указанный недостаток, т.е. ввести ограничение тока заряда, за счет чего повысить надежность устройства, а также дополнительно ввести функцию регулирования выходного напряжения, что позволит расширить область применения данного устройства.
Поставленная задача решается тем, что в устройство для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки, содержащее источник напряжения постоянного тока, ключ и блок управления, при этом первый вывод источника напряжения постоянного тока соединен с первым выводом ключа, а второй вывод источника напряжения постоянного тока соединен с первой выходной клеммой устройства для подключения конденсатора нагрузки, дополнительно введены устройство задания напряжения, второй блок управления, блок ограничения заданного уровня зарядного тока конденсатора нагрузки, датчик тока, реактор и диод, при этом выход устройства задания напряжения подключен к первому входу второго блока управления, выход второго блока управления подключен через блок ограничения заданного уровня зарядного тока конденсатора нагрузки к первому входу блока управления, ключ вторым выводом через реактор подключен к первому выводу датчика тока, который своим выходом соединен со вторым входом блока управления, а вторым выводом соединен со второй выходной клеммой для подключения конденсатора нагрузки и со вторым входом второго блока управления, а между вторым выводом ключа и вторым выводом источника напряжения постоянного тока подключен диод катодом ко второму выводу ключа.
В заявленном устройстве для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки общими существенными признаками для него и для его прототипа являются:
- источник напряжения постоянного тока;
- ключ;
- блок управления;
- первый вывод источника напряжения постоянного тока соединен с первым выводом ключа, а второй вывод источника напряжения постоянного тока соединен с первой выходной клеммой устройства для подключения конденсатора нагрузки.
Сопоставительный анализ существенных признаков заявленного устройства для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки и его прототипа показывает, что первый в отличие от прототипа имеет следующие отличительные признаки:
- введены устройство задания напряжения и второй блок управления, причем второй блок управления своим первым входом подключен к выходу устройства задания напряжения, а вторым входом подключен ко второй клемме конденсатора нагрузки;
- введен блок ограничения заданного уровня зарядного тока конденсатора нагрузки, подключенный между выходом второго блока управления и первым входом блока управления, выход которого соединен с управляющим входом ключа;
- введен датчик тока, который своим выходом соединен со вторым входом блока управления, а вторым выводом подключен ко второй клемме конденсатора нагрузки;
- введен реактор, подключенный между вторым выводом ключа и первым выводом датчика тока;
- введен диод, подключенный между вторым выводом ключа и первым выводом источника напряжения постоянного тока катодом ко второму выводу ключа.
Отличительные признаки предлагаемого решения выполняют следующие функциональные задачи для достижения требуемого технического результата.
Признак: «…введены устройство задания напряжения и второй блок управления, причем второй блок управления своим первым входом подключен к выходу устройства задания напряжения, вторым входом подключен ко второй клемме конденсатора нагрузки, а выходом подключен через блок ограничения уровня зарядного тока конденсатора нагрузки к первому входу блока управления, выход которого соединен с управляющим входом ключа» обеспечивает задание и поддержание уровня напряжения на выходе устройства, а также ограничение зарядного тока конденсатора нагрузки, при этом второй блок управления сравнивает сигнал от устройства задания напряжения с напряжением на конденсаторе нагрузки, формирует сигнал рассогласования, который, поступая на вход блока ограничения заданного уровня зарядного тока конденсатора нагрузки, преобразуется в нем в соответствии с заданным уровнем ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки и поступает на вход блока управления, который управляет ключом.
Признак: «…введен датчик тока, который своим выходом соединен со вторым входом блока управления, а вторым выводом подключен ко второй клемме конденсатора нагрузки» обеспечивает обратную связь по току для поддержания блоком управления заданного уровня ограничения тока заряда конденсатора нагрузки.
Признаки: «…введен реактор, подключенный между вторым выводом ключа и первым выводом датчика тока, …введен диод, подключенный между вторым выводом ключа и первым выводом источника напряжения постоянного тока катодом ко второму выводу ключа» обеспечивают последовательное приращение напряжения на конденсаторе нагрузки в процессе его заряда с ограничением амплитуды импульса тока в интервале проводимости ключа.
На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом, т.е. благодаря данной совокупности существенных признаков изобретения стало возможным решение поставленной задачи. Указанные существенные признаки, отличающие заявленное устройство для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки от прототипа, в совокупности с признаками, общими для него и прототипа, обеспечивает достижение заявленного технического результата во всех случаях, на которые распространяется объем правовой охраны.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки, на фиг. 2 - графики изменения напряжения на конденсаторе нагрузки и тока нагрузки, снятые в процессе натурного эксперимента.
Устройство для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки от источника 1 напряжения постоянного тока содержит ключ 2, блок 3 управления, устройство 4 задания напряжения, второй блок 5 управления, блок 6 ограничения заданного уровня зарядного тока конденсатора нагрузки, датчик 7 тока, реактор 8, диод 9 и клеммы 10, 11 для подключения конденсатора нагрузки, при этом выход устройства 4 задания напряжения подключен к первому входу второго блока 5 управления, выход второго блока 5 управления подключен через блок 6 ограничения заданного уровня зарядного тока конденсатора нагрузки к первому входу блока 3 управления, выход блока 3 управления подключен к управляющему входу ключа 2, ключ 2 первым своим выводом соединен с первым выводом источника 1 напряжения постоянного тока, а вторым выводом подключен через реактор 8 к первому выводу датчика 7 тока, датчик 7 тока своим выходом подключен ко второму входу блока 3 управления, вторым выводом подключен ко второму входу второго блока 5 управления и к клемме 10, второй вывод источника 1 соединен с клеммой 11, при этом между вторым выводом ключа 2 и вторым выводом источника 1 постоянного тока подключен диод 9 катодом ко второму выводу ключа.
Устройство для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки работает следующим образом.
Второй блок 5 управления сравнивает сигнал от устройства 4 задания напряжения с напряжением на конденсаторе нагрузки и формирует сигнал рассогласования, который поступает на вход блока 6 ограничения заданного уровня зарядного тока конденсатора нагрузки. Блок 6 ограничения заданного уровня зарядного тока конденсатора нагрузки ограничивает полученный сигнал рассогласования в соответствии с заданным уровнем ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки и передает его на вход блока 3 управления. Блок 3 управления сравнивает полученный сигнал с выхода блока 6 ограничения заданного уровня зарядного тока конденсатора нагрузки с сигналом по току от датчика 7 тока и регулирует скважность управляющих импульсов, поступающих на вход ключа 2 таким образом, чтобы ограничить максимальное значение тока заряда конденсатора нагрузки заданным уровнем. В интервале проводимости ключа ток заряда конденсатора нагрузки протекает от источника 1 постоянного тока через открытый ключ 2 и реактор 8, что вызывает приращение напряжения на конденсаторе нагрузки при ограничении импульса тока заряда допустимым значением за счет индуктивности реактора 8. В интервале паузы ключа энергия реактора разряжается через конденсатор нагрузки и диод 9. С каждым последующим импульсом управления напряжение на конденсаторе нагрузки увеличивается, что вызывает уменьшение сигнала рассогласования на выходе второго блока 5 управления и, соответственно, на входе блока 3 управления. В итоге, уменьшается длительность интервала проводимости ключа 2 и выходное напряжение на конденсаторе нагрузки устанавливается равным заданному.
На фиг. 2 представлен фрагмент снимка экрана осциллографа, на котором показан переходной процесс подключения устройства к источнику 1 напряжения постоянного тока 300 В, где 1 - график изменения напряжения на конденсаторе нагрузки, 2 - график тока нагрузки от времени, t0 - начало переходного процесса, tк - окончание переходного процесса. На интервале t0-tк ток заряда конденсатора нагрузки поддерживается практически постоянным в соответствии с заданным уровнем ограничения и равен примерно 4 А. После момента tк ток определяется нагрузкой, подключенной параллельно конденсатору нагрузки в этом эксперименте. При установившемся напряжении 170 В, определяемом устройством 4 задания напряжения, и сопротивлении нагрузки 120 Ом, подключенном параллельно конденсатору нагрузки к клеммам 10, 11, значение установившегося тока равно 1,7 А.
Устройство для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки, содержащее источник напряжения постоянного тока, ключ и блок управления, при этом первый вывод источника напряжения постоянного тока соединен с первым выводом ключа, а второй вывод источника напряжения постоянного тока соединен с первой выходной клеммой устройства для подключения конденсатора нагрузки, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены устройство задания напряжения, второй блок управления, блок ограничения заданного уровня зарядного тока конденсатора нагрузки, датчик тока, реактор и диод, при этом выход устройства задания напряжения подключен к первому входу второго блока управления, выход второго блока управления подключен через блок ограничения заданного уровня зарядного тока конденсатора нагрузки к первому входу блока управления, ключ вторым выводом через реактор подключен к первому выводу датчика тока, который своим выходом соединен со вторым входом блока управления, а вторым выводом соединен со второй выходной клеммой для подключения конденсатора нагрузки и со вторым входом второго блока управления, а между вторым выводом ключа и вторым выводом источника напряжения постоянного тока подключен диод катодом ко второму выводу ключа.
