RU2037898C1

RU2037898C1 - Switching device for output of energy from inductive storage circuit into load

Info

Publication number: RU2037898C1
Authority: RU
Inventors: В.Г. Кучинский; Б.А. Ларионов; Н.А. Михайлов
Original assignee: Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им.Д.В.Ефремова
Priority date: 1990-07-26
Filing date: 1990-07-26
Publication date: 1995-06-19

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: switching device for output of energy from inductive storage circuit 2 into load 9 has saturation choke 3, switch 4, first key element 5, first capacitor 6 with circuit of advance charge and output lead. It is supplemented with second key element 7 and second capacitor 8 with circuit of advance charge. First key element 5 is shunted by circuit of second key element 7 and second capacitor 8 connected in series. Output lead of device is coupled to output of switch on side of saturation choke. EFFECT: reduced mass and size characteristics of device. 1 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для коммутации тока в импульсных источниках питания с индуктивными накопителями энергии. The invention relates to electrical engineering and is intended for switching current in switching power supplies with inductive energy stores.

Известно устройство [1] для вывода энергии из индуктивного накопителя, содержащее последовательно соединенные дроссель насыщения и выключатель, параллельно которым подключены конденсатор с ключевым элементом и нагрузка. Для уменьшения энергоемкости конденсатора, а следовательно габаритов и веса всего устройства, оно снабжено трансформатоpом и плавкой вставкой. A device [1] is known for outputting energy from an inductive storage device comprising a saturation choke and a switch connected in series, in parallel with which a capacitor with a key element and a load are connected. To reduce the energy consumption of the capacitor, and therefore the dimensions and weight of the entire device, it is equipped with a transformer and a fusible insert.

Недостатком известного устройства является использование в нем плавкой вставки, содержащей разрушаемый элемент, который необходимо заменять после каждого срабатывания устройства. A disadvantage of the known device is the use of a fuse insert containing a destructible element, which must be replaced after each operation of the device.

Известно устройство [2] для коммутации энергии индуктивного накопителя, содержащее последовательно соединенные дроссель насыщения и выключатель, параллельно которым подключена электрическая цепь, состоящая из последовательно соединенных конденсатора и ключевого элемента-разрядника. A device [2] for switching the energy of an inductive storage device is known, which comprises a saturable choke in series and a switch, in parallel with which an electric circuit is connected, consisting of a capacitor and a key element-arrester connected in series.

Для повышения надежности работы устройства оно дополнительно снабжено цепочкой последовательно соединенных конденсатора, дросселя и разрядника, причем указанная цепочка подключена параллельно дросселю насыщения и выключателю. Как основная цепочка, состоящая из последовательно соединенных конденсатора и ключевого элемента-разрядника, так и дополнительная цепочка, состоящая из конденсатора, дросселя и разрядника, служат для облегчения гашения электрической дуги в выключателе в процессе коммутации тока. To increase the reliability of the device, it is additionally equipped with a chain of series-connected capacitor, inductor and arrester, and this chain is connected in parallel with the saturation inductor and the switch. Both the main circuit, consisting of a capacitor and a key element-arrester connected in series, and the additional circuit, consisting of a capacitor, inductor and arrester, serve to facilitate the extinction of the electric arc in the circuit breaker during current switching.

Недостатком известного устройства является то, что конденсаторы основной и дополнительной цепочки должны быть выбраны на полное рабочее напряжение устройства, так как обе цепочки подключены параллельно выключателю и нагрузке. При больших рабочих токах и напряжениях энергоемкость этих конденсаторов, а следовательно их вес и габариты, будут весьма большими. Так при рабочем токе порядка 100 кА и напряжении 50 кВ конденсаторы будут представлять собой довольно громоздкие батареи массой в несколько тонн, что значительно увеличивает вес и габариты всего устройства. A disadvantage of the known device is that the capacitors of the main and additional circuits must be selected for the full operating voltage of the device, since both circuits are connected in parallel with the switch and the load. At high operating currents and voltages, the energy intensity of these capacitors, and therefore their weight and dimensions, will be very large. So, with an operating current of about 100 kA and a voltage of 50 kV, the capacitors will be quite bulky batteries weighing several tons, which significantly increases the weight and dimensions of the entire device.

Целью изобретения является уменьшение массы и габаритов коммутационного устройства для вывода энергии из индуктивного накопителя в нагрузку путем уменьшения габаритов и массы входящих в устройство конденсаторов (конденсаторных батарей) при работе на нелинейную нагрузку с возрастающим электросопротивлением в процессе вывода энергии из индуктивного накопителя. The aim of the invention is to reduce the mass and dimensions of the switching device for outputting energy from the inductive storage to the load by reducing the size and weight of the capacitors included in the device (capacitor banks) when operating on a non-linear load with increasing electrical resistance in the process of removing energy from the inductive storage.

Это достигается тем, что в устройство для вывода энергии из индуктивного накопителя в нагрузку, содержащем дроссель насыщения, выключатель, первый ключевой элемент, первый конденсатор с цепью предварительного заряда и выходной вывод, в котором первая цепь, состоящая из последовательно соединенных дросселя насыщения и выключателя, и вторая цепь, состоящая из последовательно соединенных первого ключевого элемента и первого конденсатора, включены параллельно между входным и общим выводами устройства, дополнительно введены второй ключевой элемент и второй конденсатор с цепью предварительного заряда, причем первый ключевой элемент шунтирован цепью последовательно соединенных второго ключевого элемента и второго конденсатора, при этом выходной вывод устройства соединен с выводом выключателя со стороны дросселя насыщения. This is achieved by the fact that in a device for outputting energy from an inductive storage to a load containing a saturation inductor, a switch, a first key element, a first capacitor with a pre-charge circuit and an output terminal, in which the first circuit, consisting of a saturation inductor and a switch connected in series, and the second circuit, consisting of the first key element and the first capacitor connected in series, is connected in parallel between the input and common terminals of the device, the second key is additionally introduced th element and a second capacitor precharge circuit, wherein the first key element is shunted by series-connected circuit of the second key member and the second capacitor, wherein the output terminal of the device connected to the switch output from the saturable reactor.

На чертеже представлена электрическая схема коммутационного устройства для вывода энергии из индуктивного накопителя в нагрузку. The drawing shows an electrical diagram of a switching device for outputting energy from an inductive storage to the load.

Устройство включается в цепь 1 источника тока и индуктивного накопителя 2 и содержит дроссель насыщения 3, выключатель 4, первый ключевой элемент 5, первый конденсатор 6 с целью предварительного заряда, второй ключевой элемент 7 и второй конденсатор 8 с цепью предварительного заряда. Последовательно соединенные дроссель насыщения 3 и выключатель 4 образуют первую цепь, а последовательно соединенные первый ключевой элемент 5 и первый конденсатор 6 вторую цепь, которые включены параллельно между входным и общим выводами устройства. Первый ключевой элемент 5 шунтирован последовательно соединенными вторым ключевым элементом 7 и вторым конденсатором 8. The device is included in the circuit 1 of the current source and inductive storage 2 and contains a saturation inductor 3, a switch 4, a first key element 5, a first capacitor 6 for pre-charge, a second key element 7 and a second capacitor 8 with a pre-charge circuit. Serially connected saturation choke 3 and switch 4 form the first circuit, and the first key element 5 and the first capacitor 6 are connected in series to the second circuit, which are connected in parallel between the input and common terminals of the device. The first key element 5 is shunted in series with the second key element 7 and the second capacitor 8.

Выходной вывод устройства соединен с выводом выключателя 4 со стороны дросселя 3 насыщения. Нелинейная нагрузка 9 с возрастающим в процессе вывода энергии из индуктивного накопителя электросопротивлением подключена к выходному и общему выводам устройства параллельно выключателю 4. Емкость второго конденсатора 8 выбирается на 1-2 порядка меньше емкости первого конденсатора 6. В качестве ключевых элементов 5 и 7 могут использоваться, например, вакуумные разрядники. The output terminal of the device is connected to the output of the switch 4 from the side of the inductor 3 saturation. Non-linear load 9 with increasing electrical resistance in the process of energy output from the inductive storage is connected to the output and general terminals of the device parallel to switch 4. The capacity of the second capacitor 8 is selected 1-2 orders of magnitude smaller than the capacity of the first capacitor 6. As key elements 5 and 7 can be used, for example, vacuum arresters.

Работа устройства происходит следующим образом. Индуктивный накопитель 2 заряжается от источника тока 1 через замкнутые контакты выключателя 4 и дроссель 3 насыщения. При достижении в индуктивном накопителе 2 заданного тока замыкается ключевой элемент 5 и предварительно заряженный конденсатор 6 разряжается на цепь: ключевой элемент 5 дроссель насыщения 3 выключатель 4, создавая условия для отключения тока в выключателе. Одновременно размыкаются контакты выключателя 4. The operation of the device is as follows. Inductive storage 2 is charged from the current source 1 through the closed contacts of the switch 4 and the saturation inductor 3. When the specified current is reached in the inductive storage 2, the key element 5 is closed and the pre-charged capacitor 6 is discharged to the circuit: the key element 5 is a saturation inductor 3 switch 4, creating conditions for turning off the current in the switch. At the same time, the contacts of switch 4 open.

После отключения тока выключателем начинается перезаряд конденсатора 6 током индуктивного накопителя 2 до напряжения, равного начальному напряжению на нелинейной нагрузке. В начальный момент вывода энергии нелинейная нагрузка 9 имеет минимальное сопротивление и напряжение на ней в этот момент в несколько раз меньше максимального значения. Это позволяет использовать, в качестве первого конденсатора 6, конденсатор с относительно небольшим напряжением (в несколько раз меньшим максимального напряжения устройства). После того, как напряжение на конденсаторе 6 достигнет значения начального напряжения на нелинейной нагрузке 9, по цепи ключевой элемент 5 конденсатор 6 будет протекать некоторый остаточный ток, связанный с увеличением сопротивления нелинейной нагрузки в процессе вывода энергии. В этот момент замыкается второй ключевой элемент 7 и предварительно заряженный конденсатор 8 разряжается на первый ключевой элемент 5. Так как остаточный ток в цепи первый ключевой элемент 5 первый конденсатор 6 относительно небольшой (на 1-2 порядка меньше рабочего тока индуктивного накопителя), то для его гашения достаточно относительно небольшой емкости второго конденсатора 8. При этом создаются условия для перевода ключевого элемента 5 в непроводящее (разомкнутое) состояние. After turning off the current by the switch, the capacitor 6 is recharged by the current of the inductive storage 2 to a voltage equal to the initial voltage at the non-linear load. At the initial moment of energy output, the nonlinear load 9 has a minimum resistance and the voltage on it at this moment is several times less than the maximum value. This allows you to use, as the first capacitor 6, a capacitor with a relatively small voltage (several times lower than the maximum voltage of the device). After the voltage across the capacitor 6 reaches the value of the initial voltage at the non-linear load 9, some residual current will flow through the key element 5 of the capacitor 6 through the circuit, which is associated with an increase in the resistance of the non-linear load during energy output. At this moment, the second key element 7 closes and the pre-charged capacitor 8 is discharged to the first key element 5. Since the residual current in the circuit of the first key element 5, the first capacitor 6 is relatively small (1-2 orders of magnitude less than the operating current of the inductive storage), then its quenching is relatively relatively small capacity of the second capacitor 8. In this case, conditions are created for the transfer of the key element 5 into a non-conductive (open) state.

В результате последовательно с первым конденсатором 6 оказывается включенным второй конденсатор 8, имеющий меньшую емкость, чем конденсатор 6, но рассчитанный на полное рабочее напряжение устройства, которое определяется максимальным напряжением на нелинейной нагрузке 9 и может достигать в процессе вывода энергии величины в несколько десятков киловольт. Так как емкость дополнительного конденсатора 8 значительно меньше (в десятки раз) емкости основного конденсатора 6, то практически все напряжение, которое будет генерироваться на нелинейной нагрузке в процессе вывода энергии, будет приложено к дополнительному конденсатору 8. Это позволяет снизить (в несколько раз) рабочее напряжение основного конденсатора 6, т.е. его габариты и массу, а следовательно, уменьшить габариты и массу коммутационного устройства в целом. As a result, the second capacitor 8 turns on in series with the first capacitor 6, which has a lower capacitance than the capacitor 6, but designed for the full operating voltage of the device, which is determined by the maximum voltage at the nonlinear load 9 and can reach several tens of kilovolts during the energy output process. Since the capacity of the additional capacitor 8 is much less (ten times) the capacity of the main capacitor 6, almost all the voltage that will be generated at the nonlinear load in the process of energy output will be applied to the additional capacitor 8. This allows you to reduce (several times) the working voltage of the main capacitor 6, i.e. its dimensions and mass, and therefore, reduce the dimensions and mass of the switching device as a whole.

Claims

SWITCHING DEVICE FOR THE OUTPUT OF ENERGY FROM INDUCTIVE STORAGE TO LOAD, containing a saturation reactor, a switch, a first key element, a first capacitor with a pre-charge circuit and an output terminal, the first circuit consisting of a series-connected saturation reactor and connected in parallel circuit breaker, and a second circuit consisting of a series of connected first key element and a first capacitor, characterized in that, in order to reduce the mass and g the barytes of the device included in the nonlinear load with increasing electrical resistance during the process of energy output from the inductive storage, the second key element and the second capacitor with the precharge circuit are introduced into the device, the first key element is shunted by a chain of the second key element and the second capacitor connected in series, while the output terminal connected to the output of the switch from the saturation choke side.