CN104882932B - 一种高压脉冲电容器用恒流充电装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压脉冲电容器用恒流充电装置及方法，该装置包括储能模块、放电控制模块，储能模块包括多个储能单元，放电控制模块包括与储能单元对应的放电控制单元，以储能模块作为对负载充电的电源，通过放电控制单元将储能单元串联到充电回路，实现对负载的恒流充电。该方法通过对充电电流进行监测，并通过放电控制模块实现储能单元的串联，可精确控制负载充电电压，并维持充电电流的恒定。本发明使用储能单元作为负载的充电电源，消除了充电功率直接取自电网，对电网接入点容量要求高的影响，通过放电控制模块控制储能模块的输出，在无需使用变压器的状态下，实现了低压输入下的高压输出。

Description

一种高压脉冲电容器用恒流充电装置及方法

技术领域

本发明主要涉及到脉冲电容器领域，特指一种主要适用于高压脉冲电容器的恒流充电装置及充电方法。

背景技术

随着脉冲功率装备、高压大功率电力电子器件极限能力测试等行业对脉冲电容器的使用需求不断增加，对脉冲电容器的进行快速、高效的充电必须得到有效解决。现有充电系统主要有低压谐振充电和高压整流充电两种方式：

1、采用谐振充电方式，它存在输出电流小，充电时间长等缺陷。

2、采用高压整流充电方式，它存在充电电流不均衡，充电功率直接取自电网，对电网接入点容量要求较高等缺陷。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、充电速度快、适用范围广，能够保证充电电流恒定的充电装置及充电方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种高压脉冲电容器用恒流充电装置，包括储能模块和放电控制模块，所述储能模块包括多个储能单元；所述放电控制模块用于控制储能模块的电能输出，包括与储能单元对应的多个放电控制单元，所述放电控制单元包括储能单元分组控制晶闸管与储能单元旁路二极管，所述储能单元分组控制晶闸管与储能单元正极正向串联，所述储能单元旁路二级管设置在储能单元分组控制晶闸管负极与储能单元负极之间反向连接；所述放电控制单元之间通过储能单元旁路二极管串联。

作为本发明的进一步改进，还包括充电模块和电源侧开关，所述充电模块包括一个以上输出端并联的充电机，所述充电机的输入端通过电源侧开关与电源连接，所述充电机的输出端并联后作为充电模块的输出端与储能模块连接。

作为本发明的进一步改进，还包括储能模块充电侧开关，所述储能单元的正极与负极分别与储能模块充电侧开关连接后并联，再与充电模块输出端的正负极连接。

作为本发明的进一步改进，还包括直流输出模块和储能模块输出侧开关，所述直流输出模块包括直流输出控制电子开关、快恢复二极管、限流电抗器、续流二极管和输出侧开关，所述直流输出控制电子开关正极通过储能模块输出侧开关与放电控制模块正极连接；所述快恢复二极管与直流输出控制电子开关反向并联；所述限流电抗器，一端与直流输出控制电子开关负极连接，另一端与输出侧开关连接后连接作为输出端正极与负载连接；所述续流二极管负极与直流输出控制电子开关负极连接，正极通过储能模块输出侧开关与放电控制模块负极连接，同时通过输出侧开关作为输出端负极与负载连接。

通过直流输出模块，能阻止对负载的反向充电，保护负载脉冲电容器，并提高存储电能的利用效率。

在本发明中，所述储能单元为包括蓄电池或超级电容器。

本发明进一步提供一种基于上述高压脉冲电容器用恒流充电装置的恒流充电方法，通过包含多个储能单元的储能模块为负载进行充电，包括如下步骤：

S1.以第一组储能单元作为充电电源为负载充电；

S2.对充电电流值进行监测，当充电电流值回落到预设的阈值时，将下一个储能单元与当前充电电源串联，作为新的充电电源为负载充电；

S3.监测负载的储能水平值，当负载的储能水平值达到预设的储能值时，断开充电电源与负载的连接，完成对负载的充电。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤S1之前，对储能单元进行排序：根据储能单元的储能水平，按照储能值的高低由高到低对储能单元进行排序，当储能单元之间的储能值相同时，按照储能单元的编号顺序进行排序。

作为本发明的进一步改进，在所有步骤之前，还包括对储能模块预充电的步骤：通过充电模块为储能模块中并联的多个储能单元充电，监测各储能单元的储能值，当储能单元的储能值达到预设的储能值时，断开该储能单元与充电模块的连接，完成该储能单元的充电过程，直到所有储能单元的储能值都达到预设的储能值，完成储能模块的充电过程。

作为本发明的进一步改进，在所述对储能模块预充电的步骤中，由多个并联的充电模块为储能模块中并联的多个储能单元充电。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明采用储能单元作为中间储能设备，由中间储能设备为负载直接进行直流充电，消除了充电功率直接取自电网，对电网接入点容量要求高的影响，减少了充电机对电网功率及电能质量的需求。

2、本发明通过放电控制模块控制储能模块，实现储能单元的串联，从而在无需使用变压器的状态下，实现低压输入下的高压输出。

3、本发明对储能模块对负载进行充电的电流进行监测，在电流回落到预定值时，通过开通新的储能单元进行串联，可精确控制负载充电电压，并维持充电电流的稳定，有利于提高脉冲电容器的使用寿命。

附图说明

图1为本发明一种高压脉冲电容器用恒流充电装置实施例电气原理图。

图2为本发明一种高压脉冲电容器用恒流充电方法流程示意图。

图例说明：1、充电模块；11、充电机；2、储能模块；21、储能单元；3、放电控制模块；31、储能单元分组控制晶闸管；32、储能单元旁路二极管；4、直流输出模块；41、直流输出控制电子开关；42、快恢复二极管；43、限流电抗器；44、续流二极管；45、输出侧开关；5、电源侧开关；6、储能模块充电侧开关；7、储能模块输出侧开关。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明一种高压脉冲电容器用恒流充电装置，包括储能模块2和放电控制模块3，储能模块2包括多个储能单元21；放电控制模块3用于控制储能模块2的电能输出，包括与储能单元21对应的多个放电控制单元，放电控制单元包括储能单元分组控制晶闸管31与储能单元旁路二极管32，储能单元分组控制晶闸管31与储能单元21正极正向串联，储能单元旁路二级管设置在储能单元分组控制晶闸管31负极与储能单元21负极之间反向连接；放电控制单元之间通过储能单元旁路二极管32串联。

在本实施例中，储能模块2包括n个储能单元21，分别编号为1至n，储能单元21为蓄电池，储能单元21的正极与负极分别与储能模块充电侧开关6连接后并联，再与充电模块1的输出端连接。需要说明的是，储能单元21的个数可以根据实际的需要选择任意多个，储能单元21可以是本实施例中的蓄电池，也可以是超级电容器或其它储能设备。

在本实施例中，放电控制模块3包括与储能单元21对应的放电控制单元，放电控制单元包括储能单元分组控制晶闸管31和储能单元旁路二极管32。储能单元分组控制晶闸管31与储能单元21的正极正向串联，储能单元旁路二极管32设置在储能单元分组控制晶闸管31负极与储能单元21负极之间反向连接，放电控制单元之间通过储能单元旁路二极管32串联。在储能模块2为负载充电的状态下，放电控制单元的储能单元分组控制晶闸管31导通，则对应的储能单元21串联到充电回路，为负载进行充电。通过放电控制单元，可以实现储能单元21任意数量及任意组合的串联。

在本实施例中，本发明的高压脉冲电容器用恒流充电装置还包括充电模块1和电源侧开关5，充电模块1包括一个以上输出端并联的充电机11，充电机11的输入端通过电源侧开关5与电源连接，充电机11的输出端并联后作为充电模块1的输出端与储能模块2连接。在本实施例中，充电模块1包括1#充电机与2#充电机，两个充电机输入端通过电源侧开关5与电源连接，在充电机11输出端正极与充电侧开关5之间还正向串联有一个二极管。在充电状态下，储能模块充电侧开关6闭合，对应的储能单元21开始充电，断开则结束充电，通过控制储能模块充电侧开关6的断通状态，可实现储能单元21的并列分时充电。本实施例中，充电机11为三相六脉波整流充电机，当然，也可以采用相控整流充电机、PWM整流充电机等。

在本实施例中，本发明的高压脉冲电容器用恒流充电装置还包括直流输出模块4，直流输出模块4为带续流回路的输出电路，包括直流输出控制电子开关41，快恢复二极管42，续流二极管44及限流电抗器43。直流输出控制电子开关41通过储能模块输出侧开关7与放电控制单元的输出正极正向连接，快恢复二极管42与直流输出控制电子开关41反向并联，限流电抗器43与直流输出控制电子开关41串联后通过输出侧开关45与负载连接，续流二极管44负极与直流输出控制电子开关41负极连接，正极通过储能模块输出侧开关7与放电控制模块3负极连接，同时通过输出侧开关45负载连接。需要说明的是，在本实施例中，直流输出控制电子开关41使用的是IGCT，当然也可以采用IGBT、IEGT等全控器件；快恢复二极管42使用的是IGCT，当然也可以采用具有相同功能的其它器件。

断开储能模块输出侧开关7，将充电模块1输入端接入电源并闭合电源侧开关5及储能模块充电侧开关6，充电装置进入充电状态，开始为储能模块2进行预充电。充电完成后断开储能模块充电侧开关6，闭合储能模块输出侧开关7，充电装置进入放电状态，通过放电控制模块3控制储能模块2的电能输出，为负载进行充电。通过本发明充电装置充电、放电状态之间的切换，利用储能模块2作为负载的充电电源，消除了充电功率直接取自电网，对电网接入点容量要求高的影响，减少了充电机11对电网功率及电能质量的需求。

本实施例中对储能模块2的预储能以及通过储能模块2对负载进行充电的过程，均可通过自动控制系统监测储能模块2及负载的状态参数，控制相应开关的导通与闭合来自动完成。

如图2所示，本发明进一步提供一种基于上述高压脉冲电容器用恒流充电装置的高压脉冲电容器用恒流充电方法，通过包含多个储能单元21的储能模块2为负载进行充电，包括如下步骤：

S1.以第一组储能单元21作为充电电源为负载充电；

S2.对充电电流值进行监测，当充电电流值回落到预设的阈值时，将下一个储能单元21与当前充电电源串联，由新组成的储能单元组为负载充电；

S3.监测负载的储能水平值，当负载的储能水平值达到预设的储能值时，断开充电电源与负载的连接，完成对负载的充电。

在本实施例中，还包括为储能单元21预储能的步骤以及对储能单元21进行排序的步骤。

结合本发明的充电装置，本实施例为储能模块2进行预储能的具体步骤包括：断开储能模块输出侧开关7，将充电模块1输入端接入到电源，闭合1#充电机与2#充电机的电源侧开关5，根据储能单元21的当前电压值与预设的电压值，判断是否需要为储能单元21预储能，并闭合需要预储能的储能单元21所对应的储能模块充电侧开关6，开始为储能单元21充电。监测储能单元21的电压值，当储能单元21的电压值达到预设的电压值时，断开该储能单元21对应的储能模块充电侧开关6，结束该储能单元21的预储能过程。当所有储能单元21都已经完成预储能后，此时储能模块充电侧开关6全部处于断开状态，断开充电模块1与电源的连接，完成对储能单元21的预储能过程。需要说明的是，可以根据实际情况，选择只闭合部分充电机11的电源侧开关5，也可以根据储能单元21的储能情况，每次只闭合一个或者几个储能单元21对应的储能模块输入侧开关，分批次为储能单元21充电。储能单元21预设的电压值可根据负载的参数、直流输出电路的参数及储能单元21的个数设置。

在本实施例中对储能单元21进行排序的具体步骤包括：储能模块2完成预储能后，监测储能单元21的电压值，并根据电压值的高低由高到低为储能单元21排序，当电压值相等时，按照储能单元21的编号由低到高排序，从而得到一个电压值由高到低的储能单元21顺序编号：B₁、B₂、……、B_n。如不对储能单元21排序，则顺序编号B₁、B₂、……、B_n与储能单元21的编号1、2、……、n一致。

在本实施例中，通过储能模块2对负载进行恒流充电的具体步骤包括：闭合储能模块输出侧开关7和直流输出模块4与负载间的输出侧开关45，为直流输出控制电子开关41IGCT施加持续控制脉冲使之置于预开通状态，开通编号为U₁的储能单元21对应的放电控制单元的晶闸管，使编号为U₁的储能单元21与放电控制模块3、储能模块输出侧开关7、直流输出模块4及负载组成充电回路，由编号为U₁的储能单元21为负载充电。充电过程中，随着负载储能值的增加，充电回路中的充电电流值上升到峰值后会慢慢回落，监测该充电电流值，当充电电流值回落到预设的阈值时，开通下一个储能单元21对应的放电控制单元的晶闸管，使该储能单元21串联到充电回路中，为负载进行充电。通过此过程，可以使充电电流维持在一个稳定的范围之内，实现恒流充电的目的。监测负载的储能水平，当达到预设的储能水平时，充电装置与负载的连接，完成对负载的充电。在本实施例中，通过带续流回路的直流输出模块4为负载充电，监测负载的储能值与直流输出模块4中限流电抗器43的储能值，当两者的储能值之和达到负载预设的储能值时，封锁直流输出控制电子开关41IGCT，通过续流回路将限流电抗器43上的能量转移到负载上，使负载的储能值达到预设值，完成对负载的充电。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种高压脉冲电容器用恒流充电装置，其特征在于：包括储能模块（2）和放电控制模块（3），所述储能模块（2）包括多个储能单元（21）；所述放电控制模块（3）用于控制储能模块（2）的电能输出，包括与储能单元（21）对应的多个放电控制单元，所述放电控制单元包括储能单元分组控制晶闸管（31）与储能单元旁路二极管（32），所述储能单元分组控制晶闸管（31）与储能单元（21）正极正向串联，所述储能单元旁路二级管设置在储能单元分组控制晶闸管（31）负极与储能单元（21）负极之间反向连接；所述放电控制单元之间通过储能单元旁路二极管（32）串联；还包括直流输出模块（4）和储能模块输出侧开关（7），所述直流输出模块（4）包括直流输出控制电子开关（41）、快恢复二极管（42）、限流电抗器（43）、续流二极管（44）和输出侧开关（45），所述直流输出控制电子开关（41）正极通过储能模块输出侧开关（7）与放电控制模块（3）正极连接；所述快恢复二极管（42）与直流输出控制电子开关（41）反向并联；所述限流电抗器（43），一端与直流输出控制电子开关（41）负极连接，另一端与输出侧开关（45）连接后连接作为输出端正极与负载连接；所述续流二极管（44）负极与直流输出控制电子开关（41）负极连接，正极通过储能模块输出侧开关（7）与放电控制模块（3）负极连接，同时通过输出侧开关（45）作为输出端负极与负载连接。

2.根据权利要求1所述的高压脉冲电容器用恒流充电装置，其特征在于，还包括充电模块（1）和电源侧开关（5），所述充电模块（1）包括一个以上输出端并联的充电机（11），所述充电机（11）的输入端通过电源侧开关（5）与电源连接，所述充电机（11）的输出端并联后作为充电模块（1）的输出端与储能模块（2）连接。

3.根据权利要求2所述的高压脉冲电容器用恒流充电装置，其特征在于，还包括储能模块充电侧开关（6），所述储能单元（21）的正极与负极分别与储能模块充电侧开关（6）连接后并联，再与充电模块（1）输出端的正负极连接。

4.根据权利要求1~3任一项所述的一种高压脉冲电容器用恒流充电装置，其特征在于：所述储能单元（21）为包括蓄电池或超级电容器。

5.一种基于上述权利要求1～4中任意一项高压脉冲电容器用恒流充电装置的高压脉冲电容器用恒流充电方法，其特征在于，步骤为：

S1．以第一组储能单元（21）作为充电电源为负载充电；

S2．对充电电流值进行监测，当充电电流值回落到预设的阈值时，将下一个储能单元（21）与当前充电电源串联，作为新的充电电源为负载充电；

S3．监测负载的储能水平值，当负载的储能水平值达到预设的储能值时，断开充电电源与负载的连接，完成对负载的充电。

6.根据权利要求5所述的高压脉冲电容器用恒流充电方法，其特征在于：在所述步骤S1之前，对储能单元（21）进行排序：根据储能单元（21）的储能水平，按照储能值的高低由高到低对储能单元（21）进行排序，当储能单元（21）之间的储能值相同时，按照储能单元（21）的编号顺序进行排序。

7.根据权利要求5或6所述的高压脉冲电容器用恒流充电方法，其特征在于：在所有步骤之前，还包括对储能模块（2）预充电的步骤：通过充电模块（1）为储能模块（2）中并联的多个储能单元（21）充电，监测各储能单元（21）的储能值，当储能单元（21）的储能值达到预设的储能值时，断开该储能单元（21）与充电模块（1）的连接，完成该储能单元（21）的充电过程，直到所有储能单元（21）的储能值都达到预设的储能值，完成储能模块（2）的充电过程。

8.根据权利要求7所述的高压脉冲电容器用恒流充电方法，其特征在于由多个并联的充电模块（1）为储能模块（2）中并联的多个储能单元（21）充电。