RU2020734C1

RU2020734C1 - Charging device for reservoir capacitor

Info

Publication number: RU2020734C1
Authority: RU
Inventors: А.В. Келлер; Р.А. Тухватуллин; С.А. Вицинский; Э.И. Кудрина
Priority date: 1990-07-16
Filing date: 1990-07-16
Publication date: 1994-09-30

Abstract

FIELD: powerful high-voltage supply sources. SUBSTANCE: device has DC-to-AC voltage static converter with two thyristors, one power transformer and bridge with two linear chokes, valves with shunting resistors and capacitors and two auxiliary capacitors. EFFECT: enhanced reliability, improved mass-dimensional characteristics. 2 dwg

Description

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в мощных высоковольтных источниках питания. The invention relates to a pulse technique and can be used in high-power high-voltage power sources.

Известно устройство для зарядки накопительного конденсатора [1], содержащее двухтактный преобразователь постоянного напряжения в переменное с дросселем в цепи питания, коммутирующим конденсатором и тиристорами, подключенными к низковольтной стороне силового трансформатора, и мост с неуправляемыми вентилями, двумя вспомогательными конденсаторами, тиристорными коммутаторами и дросселями, подключенный к высоковольтной стороне трансформатора. Устройство обеспечивает заряд накопительного конденсатора, включенного в диагональ моста до напряжения, равного напряжению вторичной обмотки трансформатора. A device for charging a storage capacitor [1], containing a push-pull DC-to-AC converter with a choke in the power circuit, a switching capacitor and thyristors connected to the low-voltage side of the power transformer, and a bridge with uncontrolled valves, two auxiliary capacitors, thyristor switches and chokes, connected to the high voltage side of the transformer. The device provides a charge of the storage capacitor included in the diagonal of the bridge to a voltage equal to the voltage of the secondary winding of the transformer.

К недостатком такого устройства следует отнести сравнительно большие габариты и малую надежность при высоких напряжениях заряда. The disadvantage of this device should include relatively large dimensions and low reliability at high charge voltages.

Наиболее близким по технической сущности решением к предлагаемому является устройство для заряда накопительного конденсатора от источника постоянного напряжения [2], содержащее статический преобразователь постоянного напряжения в переменное с линейным дросселем в цепи питания и коммутирующим конденсатором, тиристоры которого первыми одноименными силовыми электродами соединены между собой, а вторыми силовыми электродами подключены к первичной обмотке силового трансформатора, и мост с вентилями, двумя вспомогательными конденсаторами, тиристорными коммутаторами и линейным дросселем, при этом два смежных плеча моста выполнены из тиристорных коммутаторов, каждое из двух других смежных плеч - из вспомогательного конденсатора, параллельно которому подключены два последовательно-согласно включенных вентиля, причем общие точки указанных смежных плеч составляют концы одной диагонали моста, в которую включен накопительный конденсатор, соединенный последовательно с линейным дросселем, а общие точки указанных пар вентилей подключены непосредственно к вторичной обмотке силового трансформатора. Силовой трансформатор имеет в первичной обмотке средний вывод для подключения одного из зажимов источника питания. Другой зажим источника подключается к общей точке силовых электродов тиристоров преобразователя. The closest technical solution to the proposed solution is a device for charging a storage capacitor from a constant voltage source [2], containing a static DC-to-AC converter with a linear inductor in the power circuit and a switching capacitor, the thyristors of which are connected by the first power electrodes of the same name, and the second power electrodes are connected to the primary winding of the power transformer, and the bridge with valves, two auxiliary capacitors thyristor switches and a linear choke, while two adjacent arms of the bridge are made of thyristor switches, each of the other two adjacent arms is of an auxiliary capacitor, in parallel with which are connected two series-connected valves, the common points of these adjacent arms being the ends of one diagonal bridge, which includes a storage capacitor connected in series with a linear inductor, and the common points of these pairs of valves are connected directly to the secondary winding power transformer. The power transformer has a primary terminal in the primary winding for connecting one of the terminals of the power source. Another source clamp is connected to the common point of the power electrodes of the thyristors of the converter.

Для прекращения процесса заряда накопительного конденсатора от данного устройства недостаточно обычного отключения тиристоров статического преобразователя по цепи управления, так как для отключения одного тиристора здесь необходимо включение другого. Поэтому в схему устройства следует дополнительно ввести силовой коммутатор в цепи первичного питания, срабатывающий по сигналу обратной связи от датчика напряжения накопительного конденсатора. To stop the process of charging the storage capacitor from this device, it is not enough to simply disconnect the thyristors of the static converter along the control circuit, since switching off another thyristor is necessary here. Therefore, in the circuit of the device, it is necessary to additionally introduce a power switch in the primary power circuit, triggered by a feedback signal from the voltage sensor of the storage capacitor.

Недостатками данного устройства являются большая габаритная мощность силового трансформатора в сравнении со средней зарядной мощностью, обусловленная необходимостью выбора вторичной обмотки на максимальное зарядное напряжение накопительного конденсатора; трудность подбора высококольтных коммутирующих тиристоров и цепей управления при напряжениях заряда более единиц киловольт; необходимость применения дополнительного силового коммутатора в цепи питания для прекращения процесса заряда накопительного конденсатора. The disadvantages of this device are the large overall power of the power transformer in comparison with the average charging power, due to the need to select a secondary winding for the maximum charging voltage of the storage capacitor; the difficulty of selecting high-voltage switching thyristors and control circuits with charge voltages of more than units of kilovolts; the need to use an additional power switch in the power circuit to stop the process of charging the storage capacitor.

Указанные недостатки ведут к ухудшению массогабаритных показателей устройства и снижают надежность его функционирования. These shortcomings lead to a deterioration in the overall dimensions of the device and reduce the reliability of its operation.

Целью изобретения является повышение надежности и улучшение массогабаритных характеристик. The aim of the invention is to increase reliability and improve weight and size characteristics.

Цель достигается тем, что в устройстве для заряда накопительного конденсатора, содержащем статический преобразователь постоянного напряжения в переменное, тиристоры которого первыми одноименными силовыми электродами соединены между собой и с первым зажимом источника постоянного напряжения, вторыми электродами подключены к концам первичной обмотки силового трансформатора, средняя точка которой соединена с вторым зажимом источника постоянного напряжения, и мост с линейным дросселем, вентилями и двумя вспомогательными конденсаторами, в мост дополнительно введен линейный дроссель, вентили выполнены с шунтирующими сопротивлениями и конденсаторами, при этом первая пара смежных плеч моста выполнена из вспомогательных конденсаторов, каждое плечо второй пары - из последовательно соединенных линейного дросселя и вентилей с шунтирующими сопротивлениями и конденсаторами, включенных в каждое из плеч разнополярно, причем общие точки указанных смежных плеч составляют концы первой диагонали и подключены к вторичной обмотке силового трансформатора, а накопительный конденсатор непосредственно включен во вторую диагональ моста. The goal is achieved in that in a device for charging a storage capacitor containing a static DC-to-AC converter, the thyristors of which are connected by the first power electrodes of the same name to each other and with the first clamp of the DC voltage source, the second electrodes are connected to the ends of the primary winding of the power transformer, the middle point of which connected to the second clamp of the DC voltage source, and a bridge with a linear choke, valves and two auxiliary capacitors and, a linear choke is additionally introduced into the bridge, the valves are made with shunt resistances and capacitors, while the first pair of adjacent bridge arms is made of auxiliary capacitors, each shoulder of the second pair is made of series-connected linear chokes and valves with shunt resistances and capacitors included in each from the shoulders in different polarity, and the common points of these adjacent shoulders are the ends of the first diagonal and are connected to the secondary winding of the power transformer, and the storage capacitor Torr directly included in the second bridge diagonal.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема предложенного устройства для зарядки накопительного конденсатора. In FIG. 1 shows a schematic diagram of the proposed device for charging a storage capacitor.

Устройство содержит статический преобразователь постоянного напряжения в переменное с тиристорами 1,2, подключенными к концам первичной обмотки силового трансформатора 3, а также мост с первым линейным дросселем 4, вентилями 5,6 с шунтирующими сопротивлениями 7 и конденсаторами 8, двумя вспомогательными конденсаторами 9,10 и вторым линейным дросселем 11. Накопительный конденсатор 12 включен в диагональ моста. Управление тиристорами преобразователя осуществляется с помощью задающего генератора 13. Средний вывод первичной обмотки силового трансформатора и общая точка силовых электродов тиристоров преобразователя подключены к зажимам 14 источника постоянного напряжения. The device contains a static DC-to-AC converter with thyristors 1.2 connected to the ends of the primary winding of the power transformer 3, as well as a bridge with a first linear inductor 4, valves 5.6 with shunt resistances 7 and capacitors 8, two auxiliary capacitors 9.10 and a second line choke 11. The storage capacitor 12 is included in the diagonal of the bridge. The thyristors of the converter are controlled by a master oscillator 13. The average output of the primary winding of the power transformer and the common point of the power electrodes of the thyristors of the converter are connected to the terminals 14 of the DC voltage source.

Устройство работает следующим образом. Задающий генератор 13 формирует импульсы управления тиристорами 1,2 преобразователя, имеющие определенную (фиксированную) частоту следования. В начале процесса заряда, при включении тиристора 1 на вторичной обмотке силового трансформатора 3 появляется напряжение с полярностью, указанной на фиг.1, вентиль 5 открывается и начинается резонансный заряд конденсаторов 9 и 10 через вентиль 5 и дроссель 4. Зарядный ток конденсатора 10 проходит через накопительный конденсатор 12, также осуществляя его заряд. При этом сумма мгновенных значений напряжений на конденсаторах 10 и 12 равна мгновенному значению напряжения на конденсаторе 9. Однако, учитывая, что емкость конденсатора 12 во много раз больше емкости конденсатора 10, а его противоЭДС на начальном этапе работы ничтожно мала, можно считать, что в этот период напряжения на конденсаторах 9 и 10 практически равны. Мгновенные значения токов и напряжений в отдельных ветвях схемы фиг.1 на начальном этапе процесса заряда, после включения тиристора 1, приведены на фиг.2. В начале второй четверти периода (момент to*) резонансного заряда конденсаторов 9 и 10, когда ток i₄ в дросселе 4 достигает амплитудного значения, а ЭДС на нем U₄ меняет знак при достаточно малой противоЭДС накопительного конденсатора 12 открывается вентиль 6. С этого момента дроссель 4 начинает отдавать энергию, накопленную за первую четверть периода резонансного заряда конденсаторов 9 и 10, и нарастает ток i₁₁ в дросселе 11 по цепи дроссель 4 - вентиль 5 - вентиль 6 - дроссель 11 - накопительный конденсатор 12. Часть энергии дросселя 4 переходит в дроссель 11, и спад тока в дросселе 4 замедляется. По мере заряда конденсаторов 9 и 10 зарядный ток i₂, замыкающий через вентиль 5, дроссель 4 и вторичную обмотку трансформатора 3, уменьшается и становится равным нулю. При этом напряжение U₁₀ на конденсаторах 9 и 10 достигает амплитудного значения, но меньшего, чем двойное по отношению к напряжению вторичной обмотки трансформатора, так как часть энергии осталась в дросселях 4,11 и накопительном конденсаторе 12. В момент времени t₁ ^*, когда ток i₂ во вторичной обмотке трансформатора примерно равен нулю, весь ток i₄ дросселя 4 замыкается через дроссель 11 и накопительный конденсатор 12, продолжая заряжать последний (i₄ = i₁₁ = i₁₂). Этот ток начинает медленно спадать с периодом, соответствующим собственной частоте контура: дроссели 4,11 и накопительный конденсатор 12. Поскольку спад тока i₄ в дросселе 4 и нарастание тока i₁₁ в дросселе 11 резко замедляются, ЭДС U₄ и U₁₁ этих дросселей существенно снижается по сравнению с напряжением на конденсаторах 9 и 10. При этом, так как индуктивность намагничивания трансформатора 3 значительно больше индуктивности дросселя 11, большая часть напряжения конденсатора 10 прикладывается к вторичной обмотке трансформатора 3 (U₂(t₁ ^*) ≈1,5U_ном) и, соответственно, в качестве запирающего напряжения U₁ - к тиристору 1, обеспечивая надежное выключение последнего. Ток намагничивания трансформатора 3 с этого момента переходит в цепь вторичной обмотки, и конденсаторы 9 и 10 начинают очень медленно разряжаться через обмотку трансформатора 3 и дроссель 11, не оказывая существенного влияния на запирающее напряжение тиристора 1.The device operates as follows. The master oscillator 13 generates control pulses of the thyristors 1,2 of the Converter having a certain (fixed) repetition rate. At the beginning of the charging process, when the thyristor 1 is turned on, a voltage with the polarity indicated in Fig. 1 appears on the secondary winding of the power transformer 3, the valve 5 opens and the resonant charge of the capacitors 9 and 10 begins through the valve 5 and the inductor 4. The charging current of the capacitor 10 passes through storage capacitor 12, also carrying out its charge. In this case, the sum of the instantaneous voltage values at the capacitors 10 and 12 is equal to the instantaneous voltage value at the capacitor 9. However, given that the capacitance of the capacitor 12 is many times larger than the capacitance of the capacitor 10, and its back-emf is negligible at the initial stage of operation, we can assume that this period of voltage across the capacitors 9 and 10 are almost equal. The instantaneous values of currents and voltages in the individual branches of the circuit of figure 1 at the initial stage of the charge process, after turning on the thyristor 1, are shown in figure 2. At the beginning of the second quarter of the period (time to *) of the resonant charge of the capacitors 9 and 10, when the current i ₄ in the inductor 4 reaches the amplitude value, and the EMF on it U ₄ changes sign, when the counter-EMF of the storage capacitor 12 is sufficiently small, valve 6. opens. From this moment inductor 4 begins to give off energy accumulated during the first quarter of the resonant charge of capacitors 9 and 10, and current i ₁₁ rises in inductor 11 along the circuit inductor 4 - valve 5 - valve 6 - inductor 11 - storage capacitor 12. Part of the energy of inductor 4 goes into throttle 11, and the current drop in the inductor 4 slows down. As the capacitors 9 and 10 charge, the charging current i ₂ closing through the valve 5, the inductor 4 and the secondary winding of the transformer 3 decreases and becomes equal to zero. In this case, the voltage U ₁₀ on the capacitors 9 and 10 reaches an amplitude value, but less than double in relation to the voltage of the secondary winding of the transformer, since part of the energy remained in the chokes 4.11 and the storage capacitor 12. At the time t ₁ ^* , when the current i ₂ in the secondary winding of the transformer is approximately zero, the entire current i _{4 of the} inductor 4 is closed through the inductor 11 and the storage capacitor 12, while continuing to charge the latter (i ₄ = i ₁₁ = i ₁₂ ). This current begins to slowly decrease with a period corresponding to the natural frequency of the circuit: chokes 4.11 and storage capacitor 12. Since the decrease in current i ₄ in inductor 4 and the rise in current i ₁₁ in inductor 11 are sharply slowed down, the EMF of U ₄ and U _{11 of} these inductors decreases compared with the voltage across the capacitors 9 and 10. Moreover, since the magnetization inductance of the transformer 3 is much larger than the inductance of the inductor 11, most of the voltage of the capacitor 10 is applied to the secondary winding of the transformer 3 (U ₂ (t ₁ ^* ) ≈1.5U _nom ) and, with accordingly, as a blocking voltage U ₁ to the thyristor 1, providing reliable shutdown of the latter. The magnetizing current of the transformer 3 from this moment passes into the secondary winding circuit, and the capacitors 9 and 10 begin to discharge very slowly through the transformer winding 3 and the inductor 11, without significantly affecting the blocking voltage of the thyristor 1.

Вследствие того, что напряжение на конденсаторах 9 и 10 больше рабочего напряжения U_ном вторичной обмотки трансформатора 3, через некоторое время в момент t₂ ^* после выключения тиристора 1, когда

U₂dt станет больше U_ном Δt, где Δt - временной промежуток, равный сумме длительности заряда конденсаторов 9 и 10 и времени, необходимого для выключения тиристора, трансформатор 3 начинает входить в насыщение. При этом индуктивность намагничивания трансформатора 3 уменьшается, скорость нарастания тока i₂ увеличивается, обеспечивая ускорение процесса разряда конденсаторов 9 и 10. При этом одна часть энергии конденсаторов 9 и 10 поступает в накопитель 12 (ток i₁₂ на фиг.2), а другая часть запасается в дроссель 11 и индуктивности намагничивания трансформатора 3. Насыщение силового трансформатора 3 обеспечивает быстрый разряд конденсаторов 9 и 10 до достаточно низкого уровня напряжения перед следующим циклом заряда и тем самым препятствует раскачке напряжения на этих конденсаторах в первых циклах работы преобразователя, когда противоЭДС накопительного конденсатора 12 еще мала, а также существенно ограничивает потери в зарядном устройстве. Условия для выключения тиристора определяются выбором параметров элементов схемы.Due to the fact that the voltage across the

capacitors

9 and 10 is greater than the operating voltage U _{nom of the} secondary winding of the transformer 3, after some time at the time t ₂ ^* after turning off the thyristor 1, when

U ₂ dt will become more than U _nom Δt, where Δt is the time period equal to the sum of the duration of the charge of the

capacitors

9 and 10 and the time required to turn off the thyristor, the transformer 3 begins to enter into saturation. In this case, the magnetization inductance of the transformer 3 decreases, the slew rate of the current i ₂ increases, providing acceleration of the discharge process of the

capacitors

9 and 10. In this case, one part of the energy of the

capacitors

9 and 10 enters the drive 12 (current i ₁₂ in figure 2), and the other part stored in the inductor 11 and the magnetization inductance of the transformer 3. The saturation of the power transformer 3 provides a quick discharge of the

capacitors

9 and 10 to a sufficiently low voltage level before the next charge cycle and thereby prevents voltage buildup These capacitors in the first cycles of the converter, when the counter-EMF of the storage capacitor 12 is still small, and also significantly limits the loss in the charger. The conditions for turning off the thyristor are determined by the choice of parameters of the circuit elements.

При включении очередного тиристора 2 полярность напряжения вторичной обмотки силового трансформатора 3 меняется. В этом цикле заряд конденсатора 12 продолжается аналогично предыдущему, но первоначально через вентиль 6, причем энергия, запасенная в дросселе 11 и индуктивности намагничивания трансформатора 3, также передается в накопитель 12. When the next thyristor 2 is turned on, the voltage polarity of the secondary winding of the power transformer 3 changes. In this cycle, the charge of the capacitor 12 continues similarly to the previous one, but initially through the valve 6, and the energy stored in the inductor 11 and the magnetization inductance of the transformer 3 is also transferred to the drive 12.

В процессе заряда накопительного конденсатора 12 растет противоЭДС на нем и максимальное положительное напряжение на конденсаторе 10 постепенно уменьшается относительно напряжения конденсатора 9 на величину напряжения накопителя 12. К концу процесса заряда амплитудное значение положительного напряжения на конденсаторе 10 снижается примерно до нуля, а напряжение на накопительном конденсаторе 12 достигает уровня, равного приблизительно удвоенному значению напряжения вторичной обмотки трансформатора 3. Амплитудные значения отрицательной полуволны напряжения на конденсаторе 10 после некоторого увеличения в начале заряда накопительного конденсатора 12 постоянно уменьшаются и достигают в конце зарядного процесса также удвоения значения напряжения вторичной обмотки трансформатора. Аналогично меняются амплитудные значения отрицательного и положительного напряжений на конденсаторе 9. In the process of charging the storage capacitor 12, the counter-emf on it grows and the maximum positive voltage on the capacitor 10 gradually decreases relative to the voltage of the capacitor 9 by the value of the voltage of the drive 12. By the end of the charging process, the amplitude value of the positive voltage on the capacitor 10 decreases to about zero, and the voltage on the storage capacitor 12 reaches a level equal to approximately twice the voltage value of the secondary winding of the transformer 3. The amplitude values of the negative the half-waves of the voltage across the capacitor 10 after a certain increase at the beginning of the charge of the storage capacitor 12 are constantly reduced and at the end of the charging process also reach a doubling of the voltage of the secondary winding of the transformer. Similarly, the amplitude values of the negative and positive voltages on the capacitor 9 change.

По мере заряда накопительного конденсатора наблюдается прерывистый характер тока через дроссели 4 и 11 и конденсатор 12. При достаточно высокой противоЭДС накопительного конденсатора (во второй половине его заряда) уже не происходит перехвата тока из одного дросселя в другой (например, при включенном тиристоре 1 - из дросселя 4 в дроссель 11). Поэтому при снижении амплитудного значения положительного напряжения на конденсаторе 10, когда напряжения на конденсаторах 9 и 12 близки к удвоенному значению напряжения вторичной обмотки трансформатора 3, выключение тиристора 1 осуществляется напряжением конденсатора 9, которое прикладывается к вторичной обмотке трансформатора 3 через конденсаторы 8 выравнивающей цепочки вентиля 5. Аналогично, запирающее напряжение на тиристор 2 поступает от конденсатора 10 через шунтирующий вентиль 6 и конденсаторы 8. В этой связи емкости конденсаторов 8 выравнивающих цепочек выбираются из дополнительного условия: обеспечения надежного выключения тиристоров 1,2 статического преобразователя. As the storage capacitor charges, the intermittent nature of the current through the chokes 4 and 11 and the capacitor 12 is observed. With a sufficiently high counter-EMF of the storage capacitor (in the second half of its charge), the current is no longer intercepted from one inductor to another (for example, when thyristor 1 is turned on - from throttle 4 to throttle 11). Therefore, when the amplitude of the positive voltage across the capacitor 10 decreases, when the voltages at the capacitors 9 and 12 are close to twice the voltage of the secondary winding of the transformer 3, the thyristor 1 is turned off by the voltage of the capacitor 9, which is applied to the secondary winding of the transformer 3 through the capacitors 8 of the equalization circuit of the valve 5 .Likewise, the locking voltage to the thyristor 2 comes from the capacitor 10 through the shunt valve 6 and the capacitors 8. In this regard, the capacitance of the capacitors 8 yravnivayuschih chains are selected from the additional conditions: provide reliable off thyristor static converter 1.2.

Claims

A device for charging a storage capacitor, comprising a static DC-to-AC converter, the thyristors of which are connected by the first power electrodes of the same name to each other and the first terminal of the DC voltage source, and the second electrodes are connected to the ends of the primary winding of the power transformer, the middle point of which is connected to the second terminal of the source DC voltage, and a bridge with a linear inductor, valves and two auxiliary capacitors, characterized in that, in order to increase reliability and improve specific weight and size parameters, a second linear choke is additionally introduced into the bridge, the valves are made with shunt resistances and capacitors, while the first pair of adjacent bridge arms is made of auxiliary capacitors, each shoulder of the second pair is made of linear choke and valves connected in series with shunt resistances and capacitors included in each of the arms in different polarity, moreover, the common points of adjacent arms make up the ends of the first diagonal and connect They are connected to the secondary winding of the power transformer, and the storage capacitor is directly included in the second diagonal of the bridge.