RU2262184C1

RU2262184C1 - Device for charging a battery of accumulating capacitors

Info

Publication number: RU2262184C1
Application number: RU2004115449/09A
Authority: RU
Inventors: А.Г. Николаев (RU); А.Г. Николаев; В.К. Быстров (RU); В.К. Быстров; А.Н. Нагорных (RU); А.Н. Нагорных
Original assignee: Военно-космическая академия им. А.Ф. Можайского Министерства обороны РФ
Priority date: 2004-05-21
Filing date: 2004-05-21
Publication date: 2005-10-10

Abstract

FIELD: pulse equipment for charging electrical energy accumulators.

SUBSTANCE: device additionally includes three-phase source of alternating current, second current-limiting linear throttle and implements an altered connection circuit for individual elements. This allows to exclude return of energy, accumulated by throttles in a source. This energy is sent directly to accumulator, bypassing the source. When used as accumulating device for accumulator electrical energy, device allows charging of one battery with middle point or without it, and also two batteries concurrently, charging is performed using pulse current, which provides improvement of working characteristics of accumulator.

EFFECT: higher efficiency, higher speed of operation, increased power coefficient.

7 dwg

Description

Изобретение относится к импульсной технике и касается систем так называемого "медленного" заряда емкостных накопителей электрической энергии (ЕНЭЭ) - накопительных конденсаторов, различных аккумуляторов и т.п. за много периодов изменения напряжения зарядного источника. Эти накопители энергии широко используются для питания импульсных потребителей энергии: ламп накачки оптических квантовых генераторов, в технической физике, в радиолокационной технике и прочих мощных потребителях энергии.The invention relates to a pulse technique and relates to systems of the so-called "slow" charge of capacitive electric energy storage devices (UNEE) - storage capacitors, various batteries, etc. over many periods of change in the voltage of the charging source. These energy storage devices are widely used to power pulsed energy consumers: pump lamps of optical quantum generators, in technical physics, in radar technology and other powerful energy consumers.

Электрическая схема предлагаемого устройства изображена на фиг.1.The electrical circuit of the proposed device is shown in figure 1.

Широко известны устройства для заряда ЕНЭЭ как от источников постоянного тока, так и от источников переменного тока с последующим его выпрямлением и ограничением для регулирования скорости заряда.Widely known are devices for charging the ENEE both from direct current sources and from alternating current sources with their subsequent rectification and limitation to control the charge speed.

Известно устройство для "медленного" заряда ЕНЭЭ от источника постоянного тока неизменного напряжения через токоограничивающий - балластный резистор, включенный в цепь заряда между источником и накопителем по схеме фиг.2 [1, с.60].A device is known for a "slow" charge of a single electric power source from a constant current source of constant voltage through a current-limiting - ballast resistor included in the charge circuit between the source and the drive according to the scheme of Fig. 2 [1, p. 60].

Недостатками такого устройства являются крайне низкий КПД (не превышающий 0.5) и низкие удельные энергетические показатели. Это вызвано тем, что избыточная энергия источника гасится на балластном сопротивлении токоограничивающего резистора.The disadvantages of this device are extremely low efficiency (not exceeding 0.5) and low specific energy indicators. This is because the excess energy of the source is extinguished by the ballast of the current-limiting resistor.

Известно также устройство для "медленного" заряда ЕНЭЭ от источника переменного тока через выпрямитель, последовательно с которым включается токоограничивающий элемент, в качестве которого используются резисторы, катушки индуктивности или конденсаторы [1, с.58 и др.]. Схема такого устройства приведена на фиг.3. При ограничении тока резистором КПД устройства повышается до 0.57 [1, с.219], а при использовании реактивных токоограничивающих элементов КПД становится еще выше.There is also known a device for a "slow" charge of the CES from an AC source through a rectifier, in series with which a current-limiting element is switched on, which is used as resistors, inductors or capacitors [1, p. 58 and others]. A diagram of such a device is shown in figure 3. When the current is limited by the resistor, the efficiency of the device rises to 0.57 [1, p.219], and when reactive current-limiting elements are used, the efficiency becomes even higher.

Недостатком такого устройства является то, что напряжение на ЕНЭЭ не превышает амплитуды напряжения источника переменного тока. Поэтому в технике часто ЕНЭЭ выполняют в виде батарей конденсаторов.The disadvantage of this device is that the voltage on the CES does not exceed the voltage amplitude of the AC source. Therefore, in technology, often the ENEE is performed in the form of capacitor banks.

Известно устройство для заряда (УЗ) батареи накопительных конденсаторов (фиг.4), содержащее источник электрической энергии переменного тока 1, токоограничивающий конденсатор 6 и полумостовой выпрямитель-умножитель напряжения 3, два смежных плеча которого образует диодная цепочка 4, 5, а два других - батарея накопительных конденсаторов 11, 12 [1, с.61].A device is known for charging (US) a battery of storage capacitors (Fig. 4), containing an AC electric power source 1, a current-limiting capacitor 6, and a half-bridge rectifier-voltage multiplier 3, two adjacent arms of which form a diode circuit 4, 5, and two others the battery of storage capacitors 11, 12 [1, p. 61].

Недостатками этого УЗ ЕНЭЭ являются относительно низкое значение напряжения на батарее накопительных конденсаторов, которое не превосходит удвоенного амплитудного значения напряжения источника, а также низкое значение коэффициента мощности источника. Это приводит к низким удельным энергетическим показателям устройства.The disadvantages of this UZ ENEE are the relatively low voltage value on the battery of storage capacitors, which does not exceed twice the amplitude value of the source voltage, as well as the low value of the source power factor. This leads to low specific energy performance of the device.

Кроме того, известно УЗ ЕНЭЭ (фиг.5), содержащее трехфазный источник переменного тока 1 с тремя выходными линейными клеммами 8, 9 и 10, два токоограничивающих конденсатора 6 и 7, две диодные цепочки, каждая из которых состоит из двух соединенных последовательно - согласно диодов 4, 5 и 13, 15 и линейного дросселя 2, а также батарею накопительных конденсаторов 11 и 12 [2].In addition, it is known UZ ENEE (figure 5), containing a three-phase AC source 1 with three output linear terminals 8, 9 and 10, two current-limiting capacitors 6 and 7, two diode circuits, each of which consists of two connected in series - according diodes 4, 5 and 13, 15 and a linear choke 2, as well as a battery of storage capacitors 11 and 12 [2].

В этом УЗ батарея заряжается по трем каналам: оба конденсатора одновременно и каждый из них поочередно (со сдвигом по времени на 120 эл. град - через дроссель 2). Так как переменный ток в этом дросселе имеет различную угловую длительность, конденсаторы 11 и 12 запасают различную энергию и заряжаются до несколько отличных напряжений.In this ultrasonic study, the battery is charged through three channels: both capacitors at the same time and each of them alternately (with a time shift of 120 el. Degrees - through inductor 2). Since the alternating current in this inductor has a different angular duration, the capacitors 11 and 12 store different energies and charge up to several different voltages.

Это устройство также характеризуется недостаточно высоким значением скорости передачи энергии от источника в емкостной накопитель и невысоким коэффициентом мощности источника питания, вследствие чего оно имеет неудовлетворительные удельные энергетические показатели.This device is also characterized by an insufficiently high value of the rate of energy transfer from the source to the capacitive storage and a low power factor of the power source, as a result of which it has unsatisfactory specific energy indices.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для заряда батареи накопительных конденсаторов (схема по фиг.6), содержащее трехфазный источник переменного тока (ТИПТ) 1, токоограничивающий линейный дроссель 2 и вентильно-конденсаторный выпрямитель-умножитель напряжения 3, образованный двумя вентильно-конденсаторными трехлучевыми цепочками, каждая из которых состоит из двух диодов и двух конденсаторов, при этом последовательно - согласно соединенные диоды 4 и 5 одной вентильно-конденсаторной цепочки образуют первую трехлучевую звезду, анодный и катодный выводы лучей которой через дозирующие конденсаторы 6 и 7 подключены к первой 8 и второй 9 выходным клеммам трехфазного источника переменного тока, а третий луч, образованный точкой соединения диодов 4 и 5, подключен непосредственно к третьей клемме 10 трехфазного источника переменного тока, конденсаторы 11 и 12 другой вентильно-конденсаторной цепочки соединены последовательно и образуют батарею накопительных конденсаторов, создающих вторую трехлучевую звезду, один луч которой подключен к катоду третьего диода (13) и положительному выходному выводу 14, другой - к аноду четвертого диода 15 и отрицательному выходному выводу 16 устройства, а общая точка батареи накопительных конденсаторов образует третий луч [3]. Это устройство требует использования автономного ТИПТ.Closest to the proposed technical essence is a device for charging a battery of storage capacitors (circuit of FIG. 6), comprising a three-phase AC source (TIPT) 1, a current-limiting linear inductor 2 and a valve-condenser rectifier-voltage multiplier 3, formed by two valve three-beam capacitor chains, each of which consists of two diodes and two capacitors, while in series - according to the connected diodes 4 and 5 of one valve-capacitor chain I form the first three-beam star, the anode and cathode terminals of the beams of which are connected through the metering capacitors 6 and 7 to the first 8 and second 9 output terminals of the three-phase AC source, and the third beam, formed by the connection point of the diodes 4 and 5, is connected directly to the third terminal 10 of the three-phase AC source, capacitors 11 and 12 of another valve-condenser chain are connected in series and form a battery of storage capacitors, creating a second three-beam star, one beam of which is connected to the cathode the third diode (13) and the positive output terminal 14, the other to the anode of the fourth diode 15 and the negative output terminal 16 of the device, and the common point of the battery of storage capacitors forms the third beam [3]. This device requires the use of a stand-alone TIPT.

Это УЗ ЕНЭЭ также является трехканальным и за счет симметрии импульсов тока ТИПТ в дросселе с использованием отвода от средней точки его обмотки обеспечивает заряд конденсаторов 11 и 12 до одинаковых напряжений. Кроме того, достоинством такого устройства является то, что наличие дросселя в цепи заряда дозирующих конденсаторов позволяет осуществлять их резонансный заряд на начальной стадии заряда до напряжения, превосходящего амплитудное значение линейного напряжения источника. Это позволяет ускорить заряд накопительных конденсаторов, однако это устройство требует использования ТИПТ с шестью выводами.This UZ ENEE is also three-channel and due to the symmetry of the TIPT current pulses in the inductor using a tap from the midpoint of its winding, it provides the charge of capacitors 11 and 12 to the same voltage. In addition, the advantage of such a device is that the presence of a choke in the charge circuit of the metering capacitors allows their resonant charge to be carried out at the initial stage of the charge to a voltage exceeding the amplitude value of the linear voltage of the source. This allows you to accelerate the charge of storage capacitors, however, this device requires the use of TIPT with six leads.

Недостатком устройства является то, что энергия источника, запасаемая в дросселе при заряде накопительного конденсатора в одной части периода изменения тока источника, возвращаемая в другой части периода в токоограничивающий конденсатор, передается через две фазовые обмотки ТИПТ. Это увеличивает потери мощности, снижает коэффициент мощности источника, а также ухудшает удельные энергетические показатели устройства.The disadvantage of this device is that the energy of the source stored in the inductor when charging the storage capacitor in one part of the period of change of the current source, returned in another part of the period to the current-limiting capacitor, is transmitted through two phase windings TIPT. This increases the power loss, reduces the power factor of the source, and also degrades the specific energy performance of the device.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства путем обеспечения реализации его работы от трехфазного трехпроводного источника переменного тока, улучшение его удельных энергетических показателей путем более эффективного использования энергии, передаваемой от трехфазного источника переменного тока в накопитель, за счет "отсасывания" энергии источника в дроссель при ограничении им тока заряда накопителя и последующей ее передачей в накопитель, минуя источник, а также улучшения его технико-экономических показателей за счет обеспечения возможности регулирования напряжения на накопительном конденсаторе при изменении напряжения источника питания в процессе его эксплуатации.The aim of the invention is to expand the functionality of the device by ensuring the implementation of its operation from a three-phase three-wire alternating current source, improving its specific energy indicators by more efficient use of energy transmitted from a three-phase alternating current source to the drive, due to the "suction" of the source energy into the inductor while limiting the charge current of the drive and its subsequent transfer to the drive, bypassing the source, as well as improving its techno-economic performance by allowing regulation of the voltage on the storage capacitor when the change in power source voltage during its operation.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для заряда батареи накопительных конденсаторов, содержащее трехфазный источник переменного тока, токоограничивающий линейный дроссель, вентильно-конденсаторный выпрямитель-умножитель напряжения, образованный двумя вентильно-конденсаторными трехлучевыми цепочками, каждая из которых состоит из двух диодов и двух конденсаторов, при этом последовательно соединенные диоды одной вентильно-конденсаторной цепочки образуют первую трехлучевую звезду, анодный и катодный выводы лучей которой через дозирующие конденсаторы подключены к первой и второй выходным клеммам трехфазного источника переменного тока, а третий луч, образованный точкой соединения диодов, подключен непосредственно к третьей клемме трехфазного источника переменного тока, конденсаторы другой вентильно-конденсаторной цепочки соединены последовательно и образуют батарею накопительных конденсаторов, создающих вторую трехлучевую звезду, один луч которой подключен к катоду третьего диода и положительному выходному выводу, другой - к аноду четвертого диода и отрицательному выходному выводу устройства, а общая точка батареи накопительных конденсаторов образует третий луч, оно дополнительно снабжено ключом двухсторонней проводимости, блоком контроля напряжения и управления ключом и вторым токограничивающим линейным дросселем, при этом анод третьего и катод четвертого диодов подключены соответственно через обмотки токоограничивающих линейных дросселей к катодному и анодному выводам первой трехлучевой звезды, ключ двухсторонней проводимости - между третьими лучами вышеупомянутых звезд, а блок контроля напряжения и управления ключом - к выходным клеммам трехфазного источника переменного тока, положительному и отрицательному выходным выводам устройства и ключу двухсторонней проводимости.This goal is achieved by the fact that in a device for charging a battery of storage capacitors, containing a three-phase AC source, a current-limiting linear inductor, a valve-capacitor rectifier-voltage multiplier, formed by two valve-condenser three-beam chains, each of which consists of two diodes and two capacitors in this case, the series-connected diodes of one valve-capacitor chain form the first three-beam star, the anode and cathode conclusions of the beams of which through metering capacitors connected to the first and second output terminals of the three-phase AC source, and the third beam formed by the diode connection point is connected directly to the third terminal of the three-phase AC source, the capacitors of the other valve-condenser circuit are connected in series and form a battery of storage capacitors, creating a second three-beam star, one beam of which is connected to the cathode of the third diode and a positive output terminal, the other to the anode of the fourth and the negative output terminal of the device, and the common point of the battery of storage capacitors forms a third beam, it is additionally equipped with a double-sided conductivity key, a voltage control and key control unit and a second current-limiting linear inductor, while the anode of the third and the cathode of the fourth diodes are connected respectively through windings of current-limiting linear throttles to the cathode and anode terminals of the first three-beam star, the key of two-sided conductivity is between the third rays of the aforementioned stars drive, and the voltage control and key control unit - to the output terminals of a three-phase AC source, the positive and negative output terminals of the device and the key of two-sided conductivity.

Использование в устройстве трехфазного трехпроводного источника переменного тока, введение ключа двухсторонней проводимости с блоком контроля напряжения и управления ключом, а также второго токоограничивающего линейного дросселя и изменение схемы соединения отдельных элементов позволяют направлять энергию, запасенную в токоограничивающих линейных дросселях, при передаче ее от источника и дозирующих конденсаторов в батарею накопительных конденсаторов непосредственно, т.е. минуя источник. Это, разгружая ТИПТ от отстающего индуктивного тока, повышает коэффициент мощности ТИПТ, уменьшает потери энергии и повышает КПД устройства.The use of a three-phase three-wire AC source in the device, the introduction of a double-sided conductivity key with a voltage control and key control unit, as well as a second current-limiting linear inductor and a change in the connection circuit of individual elements allow directing the energy stored in current-limiting linear inductors when transferring it from the source and metering capacitors in the storage capacitor bank directly, i.e. bypassing the source. This, unloading the TIPT from the lagging inductive current, increases the power factor of the TIPT, reduces energy losses and increases the efficiency of the device.

Отсутствие в технической и патентной литературе сведений (рекомендаций) по выполнению заявленной схемы в целях достижения описанного в заявке эффекта (результата) показывает новизну взаимосвязи между совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения и его положительным эффектом. Это обеспечивает существенное отличие данного изобретения от всех известных систем аналогичного назначения.The lack of information (recommendations) in the technical and patent literature on the implementation of the claimed scheme in order to achieve the effect (result) described in the application shows the novelty of the relationship between the totality of the essential features of the claimed invention and its positive effect. This provides a significant difference of this invention from all known systems of similar purpose.

На фиг.1 изображена принципиальная электрическая схема устройства для заряда батареи накопительных конденсаторов.Figure 1 shows a circuit diagram of a device for charging a battery of storage capacitors.

Устройство содержит трехфазный трехпроводный источник переменного тока 1, токоограничивающий линейный дроссель 2, вентильно-конденсаторный выпрямитель-умножитель напряжения 3, образованный двумя вентильно-конденсаторными трехлучевыми цепочками, каждая из которых состоит из двух диодов и двух конденсаторов, при этом последовательно - согласно соединенные диоды 4, 5 одной вентильно-конденсаторной цепочки образуют первую трехлучевую звезду, анодный и катодный выводы лучей которой через дозирующие конденсаторы 6, 7 подключены к первой 8 и второй 9 выходным клеммам трехфазного источника переменного тока, а третий луч, образованный точкой соединения диодов 4 и 5, подключен непосредственно к третьей клемме 10 трехфазного источника переменного тока, конденсаторы 11 и 12 другой вентильно-конденсаторной цепочки соединены последовательно и образуют батарею накопительных конденсаторов, создающих вторую трехлучевую звезду, один луч которой подключен к катоду третьего диода 13 и положительному выходному выводу 14, другой - к аноду четвертого диода 15 и отрицательному 16 выходному выводам устройства, а общая точка батареи накопительных конденсаторов образует третий луч, оно дополнительно снабжено ключом 17 двухсторонней проводимости, блоком 18 контроля напряжения и управления этим ключом и вторым токоограничивающим дросселем 19, при этом анод третьего 15 и катод четвертого 13 диодов подключены соответственно через обмотки токоограничивающих линейных дросселей 19 и 2 к катодному 4 и анодному 5 выводам первой трехлучевой звезды, ключ 17 двухсторонней проводимости - между третьими лучами вышеупомянутых звезд, а блок 18 контроля напряжения и управления ключом - к выходным клеммам трехфазного источника переменного тока, положительному и отрицательному выходным выводам устройства и ключу двухсторонней проводимости. Ключ двухсторонней проводимости может быть выполнен электромеханическим - в виде замыкающихся и размыкающихся контактов или полупроводниковым (например, на симисторах).The device contains a three-phase three-wire AC source 1, a current-limiting linear inductor 2, a valve-capacitor rectifier-voltage multiplier 3, formed by two valve-capacitor three-beam chains, each of which consists of two diodes and two capacitors, while in series - according to the connected diodes 4 5 of one valve-capacitor chain form the first three-beam star, the anode and cathode terminals of the rays of which are connected through the metering capacitors 6, 7 to the first 8 and 9 output terminals of a three-phase AC source, and the third beam formed by the connection point of diodes 4 and 5 is connected directly to the third terminal 10 of a three-phase AC source, the capacitors 11 and 12 of the other valve-condenser circuit are connected in series and form a battery of storage capacitors, creating a second three-beam star, one beam of which is connected to the cathode of the third diode 13 and the positive output terminal 14, the other to the anode of the fourth diode 15 and the negative 16 output terminals devices, and the common point of the battery of storage capacitors forms a third beam, it is additionally equipped with a double-sided conductivity key 17, a voltage monitoring and control unit 18 and a second current-limiting inductor 19, while the anode of the third 15 and the cathode of the fourth 13 diodes are connected respectively through windings of current-limiting linear chokes 19 and 2 to the cathodic 4 and anode 5 terminals of the first three-beam star, the key 17 of bilateral conductivity is between the third rays of the aforementioned stars, and the control unit 18 voltage and key control - to the output terminals of a three-phase AC source, the positive and negative output terminals of the device and the key of bilateral conductivity. The key of two-sided conductivity can be made electromechanical - in the form of closing and opening contacts or semiconductor (for example, on triacs).

Принцип действия и схемы блока контроля напряжения и управления 18 ключом широко известны и детально описаны в технической литературе. Он позволяет регулировать ток заряда и изменять напряжение на выходе устройства.The principle of operation and circuitry of the voltage control and 18-key control unit are widely known and described in detail in the technical literature. It allows you to adjust the charge current and change the voltage at the output of the device.

При рассмотрении работы устройства будем считать, что все конденсаторы в исходном состоянии (до подачи напряжения) разряжены, а ключ 17 двухсторонней проводимости все время замкнут. Будем также считать, что обмотки ТИПТ соединены звездой. На фиг.7 приведены временные диаграммы изменения фазных напряжений такого источника U₈, U₉ и U₁₀.When considering the operation of the device, we assume that all capacitors in the initial state (before applying voltage) are discharged, and the key 17 of bilateral conductivity is closed all the time. We will also assume that the TIPT windings are connected by a star. Figure 7 shows the timing diagrams of the phase voltage changes of such a source U ₈ , U ₉ and U ₁₀ .

Так как схема симметрична относительно линии 10-17, ее можно считать состоящей из двух подобных каналов заряда конденсаторов 11 и 12. Наличие в каждом канале вентилей-диодов, характеризуемых нелинейными вольт-амперными характеристиками, и непрерывное изменение напряжения на накопительных конденсаторах во время их заряда приводит к существенно нелинейным уравнениям, описывающим процессы в них из-за параметрической реконфигурации цепей в каждом периоде перезаряда дозирующих конденсаторов.Since the circuit is symmetrical with respect to line 10-17, it can be considered as consisting of two similar charge channels of capacitors 11 and 12. The presence of diode gates in each channel, characterized by non-linear current-voltage characteristics, and a continuous change in the voltage across the storage capacitors during their charge leads to significantly nonlinear equations describing the processes in them due to the parametric reconfiguration of the circuits in each period of recharging of the metering capacitors.

Пусть в исходный момент времени (момент включения устройства) линейное напряжение между клеммами 9 и 10 равно нулю и в последующие моменты времени начинает возрастать по абсолютному значению, причем к клемме 10 приложен положительный потенциал. Этому соответствует момент времени t₁ на фиг.7. Через 90 эл.град. от начала отсчета, т.е. в момент времени t₂, линейное напряжение U_{10, 9} достигнет амплитудного значения. На временном интервале t₁-t₂ происходит заряд конденсатора 7 по цепи: 10-4-7-9-10 и к моменту времени t₂ он будет заряжен до амплитуды линейного напряжения источника.Suppose that at the initial moment of time (the moment the device is turned on), the linear voltage between terminals 9 and 10 is zero and at subsequent times it starts to increase in absolute value, and a positive potential is applied to terminal 10. This corresponds to time t ₁ in Fig.7. After 90 el. Hail. from the origin, i.e. at time t ₂ , the linear voltage U _{10, 9} reaches the amplitude value. On the time interval t ₁ -t ₂ there is a charge of the capacitor 7 along the circuit: 10-4-7-9-10 and by the time t ₂ it will be charged to the amplitude of the linear voltage of the source.

Начиная с момента времени t₂, линейное напряжение U_{10, 9} будет убывать, а разность напряжений конденсатора 7 и линейного напряжения U_{10, 9}, равная в момент времени t₂ нулю, будет возрастать. При этом диод 4 будет закрыт более высоким напряжением конденсатора 7. Таким образом, начиная с момента времени t₂, будет происходить заряд конденсатора 11 под действием разности напряжений U₇-U_{10, 9} по цепи: 9-7-2-13-11-17-10-9. Конденсатор 7 разряжается до нуля, отдавая энергию, запасенную на интервале t₁-t₂, в батарею накопительных конденсаторов. Дроссель 2 в это время, ограничивая ток заряда, выполняет функцию накопителя энергии. Полярность напряжения на обмотках дросселя указана сверху на схеме без скобок. Конденсатор 7, разрядившись до нуля в течение последующих 90 эл.град, ограничивая ток источника, перезаряжается обратной полярностью до амплитудного значения линейного напряжения источника.Starting at time t ₂ , the line voltage U _{10, 9} will decrease, and the voltage difference between the capacitor 7 and the line voltage U _{10, 9} , equal to zero at time t ₂ , will increase. In this case, the diode 4 will be closed by a higher voltage of the capacitor 7. Thus, starting from time t ₂ , the capacitor 11 will be charged under the influence of the voltage difference U ₇ -U _{10, 9} along the circuit: 9-7-2-13-11 -17-10-9. The capacitor 7 is discharged to zero, giving the energy stored in the interval t ₁ -t ₂ in the battery of storage capacitors. Choke 2 at this time, limiting the charge current, performs the function of energy storage. The voltage polarity on the inductor windings is indicated on the top of the diagram without brackets. The capacitor 7, discharged to zero during the next 90 degrees, limiting the current of the source, is recharged with reverse polarity to the amplitude value of the linear voltage of the source.

В момент времени t₂, т.е. через 180 эл.град. от начала рассмотрения процесса (t₁), линейное напряжение U_{10, 9} станет равным нулю, так как потенциалы клемм 10 и 9 будут равны. Начиная с этого момента времени, потенциал клеммы 9 будет выше потенциала клеммы 10 и заряд конденсатора 11 будет продолжаться под действием линейного напряжения U_{10, 9}. Этот процесс будет продолжаться до следующих 90 эл.град.At time t ₂ , i.e. through 180 el. from the beginning of the consideration of the process (t ₁ ), the linear voltage U _{10, 9} will become equal to zero, since the potentials of terminals 10 and 9 will be equal. From this point in time, the potential of terminal 9 will be higher than the potential of terminal 10 and the charge of the capacitor 11 will continue under the action of the line voltage U _{10, 9} . This process will continue until the next 90 degrees.

При заряде конденсатора 11 ток протекает через обмотку дросселя 2 и в нем запасается энергия, а возникающая на его выводах ЭДС самоиндукции противодействует изменению тока в цепи заряда конденсатора 11. Полярность напряжения дросселя 2 для рассматриваемого интервала времени на схеме фиг.1 указана без скобок. Когда ток заряда конденсатора 11 начнет убывать, ЭДС самоиндукции дросселя 2 поменяет знак и будет стремится поддержать прежнее значение тока в цепи заряда конденсатора 11 (полярность указана в скобках).When the capacitor 11 is charged, the current flows through the winding of the inductor 2 and energy is stored in it, and the self-induction emf that arises at its terminals counteracts a change in the current in the charge circuit of the capacitor 11. The voltage polarity of the inductor 2 for the considered time interval is shown without brackets in the diagram of Fig. 1. When the charge current of the capacitor 11 starts to decrease, the self-induction EMF of the inductor 2 will change sign and will tend to maintain the current value in the charge circuit of the capacitor 11 (the polarity is indicated in brackets).

На этом временном интервале дроссель 2 выступает в роли источника электрической энергии и отдает запасенную им ранее энергию в накопитель (конденсатор 11), минуя источник 1. Энергия дросселя в накопитель передается по цепи: 2-13-11-17-4-2. Такой режим работы дросселя дополнительно увеличивает длительность импульса зарядного тока накопительного конденсатора 11 и его продолжительность может достигать 360 эл.град. Действительно дроссель 2, включенный последовательно с конденсатором 7, выражаясь образно, "отсасывает" энергию источника, так как реактивное сопротивление последовательной индуктивно-емкостной цепи определяется алгебраической суммой сопротивлений индуктивности и емкости. Затем эта энергия, запасаемая дросселем от источника, канализируется в НК 11 через диоды 13 и 4. В связи с тем, что индуктивность, включенная в цепь последовательно, является интегрирующим элементом, длительность импульсов тока в пределе может составлять 360 эл.град. (против предельного значения 270 эл.град. в цепях однополупериодного выпрямления с последовательно же включенным дросселем - см., например, Атабеков Г.И. и др. Технические основы электротехники, ч.2. Нелинейные цепи. М.: Энергия, 1970, 232 с. - рис.3.13 на с.89). По мере заряда конденсатора 11 напряжение на его обкладках увеличивается и ток в цепи его заряда, определяемый разностью напряжений источника и конденсатора 7 и заряжаемого конденсатора 11, уменьшается. Это приводит к уменьшению энергии, запасаемой в дросселе, и сокращению длительности зарядных импульсов по этой цепи. Таким образом, на временном интервале t₁-t₂ (фиг.7) происходит заряд дозирующего конденсатора 7, а на интервале t₂-t₃ происходит разряд дозирующего конденсатора 7 и начинается процесс заряда конденсатора 11 через дроссель 2, при этом он запасает энергию в своем магнитном поле. На интервале t₃-t₄ под действием линейного напряжения U_{10, 9} продолжается процесс заряда конденсатора 11, а также происходит перезаряд дозирующего конденсатора 7. На интервале t₄-t₅ продолжается заряд конденсатора 11 за счет энергии, накопленной в дросселе 2 на предыдущих этапах заряда. Эту энергию дроссель 2 отдает в конденсатор 11, минуя источник, через открытый диод 4. Кроме того, на этом этапе происходит процесс заряда дозирующего конденсатора 7. Далее все процессы повторяются циклически.At this time interval, inductor 2 acts as a source of electrical energy and transfers the energy it previously stored to the storage device (capacitor 11), bypassing source 1. The energy of the inductor to the storage device is transmitted through the circuit: 2-13-11-17-4-2. This mode of operation of the inductor additionally increases the pulse duration of the charging current of the storage capacitor 11 and its duration can reach 360 el. Indeed, the inductor 2, connected in series with the capacitor 7, figuratively speaking, “sucks” the source energy, since the reactance of the series inductive-capacitive circuit is determined by the algebraic sum of the inductance and capacitance resistances. Then this energy, stored by the inductor from the source, is channeled into the NK 11 through diodes 13 and 4. Due to the fact that the inductance included in the circuit in series is an integrating element, the duration of the current pulses in the limit can be 360 electric degrees. (against the limit value of 270 electric grad. in the half-wave rectification circuits with a choke connected in series - see, for example, Atabekov GI and other Technical fundamentals of electrical engineering, part 2. Non-linear circuits. M .: Energy, 1970, 232 p. - Fig. 3.13 on p. 89). As the capacitor 11 charges, the voltage on its plates increases and the current in its charge circuit, determined by the voltage difference between the source and capacitor 7 and the charged capacitor 11, decreases. This leads to a decrease in the energy stored in the inductor, and to a reduction in the duration of charge pulses along this circuit. Thus, at the time interval t ₁ -t ₂ (Fig. 7), the metering capacitor 7 is charged, and at the interval t ₂ -t ₃ , the metering capacitor 7 is discharged and the process of charging the capacitor 11 through the inductor 2 begins, while it stores energy in its magnetic field. On the interval t ₃ -t ₄ under the influence of the linear voltage U _{10, 9} , the process of charging the capacitor 11 continues, and the metering capacitor 7 is recharged. On the interval t ₄ -t ₅ , the charge on the capacitor 11 continues due to the energy stored in the inductor 2 on the previous ones charge stages. The choke 2 gives this energy to the capacitor 11, bypassing the source, through the open diode 4. In addition, at this stage, the charging process of the metering capacitor 7 occurs. Further, all processes are repeated cyclically.

Из рассмотрения вышеописанных процессов следует, что максимальная длительность зарядного импульса может достигать 360 эл. град. и по мере заряда конденсатора длина зарядных импульсов тока сокращается.From the consideration of the above processes it follows that the maximum duration of the charging pulse can reach 360 e. hail. and as the capacitor charges, the length of the charging current pulses decreases.

Кроме того, на интервале t₃-t₄, когда потенциал клеммы 9 будет положителен, а на клемме 8 отрицателен и когда сумма напряжений в цепи 9-7-2-13-11-12-15-19-6-8-9 превысит напряжение на батарее конденсаторов, в этой цепи под действием суммарного напряжения будет осуществляться заряд всей батареи конденсаторов. Передача энергии по этой цепи возможна до достижения напряжения на батарее, равного 3 U_лm.In addition, in the interval t ₃ -t ₄ , when the potential of terminal 9 is positive, and on terminal 8 is negative, and when the sum of the voltages in the circuit 9-7-2-13-11-12-15-19-6-8-9 exceeds the voltage on the capacitor bank, in this circuit, under the action of the total voltage, the entire capacitor bank will be charged. Energy transfer along this circuit is possible until the voltage on the battery is 3 U _lm .

Таким образом, часть энергии, запасаемой в реактивных элементах (дросселе) устройства на одних временных интервалах при ограничении тока ТИПТ, в других интервалах передается в накопительный конденсатор 11, минуя источник. Это повышает скорость заряда и коэффициент мощности источника и КПД устройства в целом.Thus, part of the energy stored in the reactive elements (throttle) of the device at some time intervals while limiting the current TIPT, at other intervals is transferred to the storage capacitor 11, bypassing the source. This increases the charge rate and the power factor of the source and the efficiency of the device as a whole.

Аналогичные процессы, но со сдвигом по фазе на 120 электрических градусов, протекают под действием линейного напряжения U_10,8 при заряде другого накопительного конденсатора батареи. Работа обоих каналов вместе создает третий путь передачи энергии ТИПТ в батарею.Similar processes, but with a phase shift of 120 electrical degrees, occur under the influence of a linear voltage U _10.8 when charging another storage capacitor of the battery. The work of both channels together creates a third way of transferring TIPT energy to the battery.

Длительность импульса зарядного тока в конденсаторе 12 также может достигает значения до 360 эл.град., что в два раза превышает длительность тока в известных устройствах аналогичного назначения.The pulse duration of the charging current in the capacitor 12 can also reach a value of up to 360 electric degrees, which is two times the current duration in known devices of a similar purpose.

По мере заряда конденсаторов 11 и 12 батареи момент начала зарядного импульса тока в накопитель будет наступать позже, так как он будет начинаться только тогда, когда сумма напряжений источника и дозирующего конденсатора будет больше напряжения на соответствующем накопительном конденсаторе батареи. Максимальная величина напряжения на накопительных конденсаторах 11 и 12 равна удвоенному, а всей батареи - учетверенному амплитудному значению линейного напряжения трехфазного источника переменного тока.As the charge of the battery capacitors 11 and 12, the moment of the beginning of the charging current pulse to the drive will come later, since it will begin only when the sum of the voltage of the source and the metering capacitor is greater than the voltage at the corresponding storage capacitor of the battery. The maximum voltage at the storage capacitors 11 and 12 is equal to twice, and the entire battery - quadruple amplitude value of the linear voltage of a three-phase AC source.

При заряде батареи накопительных конденсаторов, кроме рассмотренных двух цепей, как отмечено выше, их заряд может осуществляться по третьей цепи, по которой блок накопительных конденсаторов может заряжаться до напряжения, равного утроенному значению линейного напряжения источника. Если по сигналу блока 18 ключ 17 разомкнуть, то энергия ТИПТ будет передаваться в батарею только по третьей цепи.When charging the battery of storage capacitors, in addition to the two circuits considered, as noted above, their charge can be carried out by the third circuit, through which the block of storage capacitors can be charged to a voltage equal to three times the value of the linear voltage of the source. If the signal 17 of the key 17 open, the energy TIPT will be transmitted to the battery only on the third circuit.

Напряжение дозирующих конденсаторов 6 и 7, заряжаемых по рассмотренным выше цепям до амплитуды линейного напряжения источника, суммируясь с линейным напряжением U_9,8 ТИПТ, обеспечивает заряд БНК через токоограничивающие линейные дроссели 2, 19. При убывании тока заряда напряжение на токоограничивающих линейных дросселях меняет знак и они отдают запасенную в них энергию по цепи: 5-4-2-13-11-12-15-19-5 в блок накопительных конденсаторов, минуя источник.The voltage of the metering capacitors 6 and 7, charged according to the circuits discussed above to the amplitude of the line voltage of the source, summing up with the line voltage U _9.8 TIPT, provides the BNK charge through current-limiting linear chokes 2, 19. When the charge current decreases, the voltage on the current-limiting linear chokes changes sign and they give the energy stored in them along the circuit: 5-4-2-13-11-12-12-15-19-5 to the block of storage capacitors, bypassing the source.

Работа всех трех каналов УЗ в порядке, отмеченном выше, приводит к формированию его внешней статической (вольт-амперной) характеристики, имеющей практически гиперболический характер. При такой характеристике заряд ЕНЭЭ осуществляется практически постоянной мощностью, т.е. мощность источника уменьшается почти в два раза по сравнению с УЗ, характеризуемыми линейно падающими внешними характеристиками.The operation of all three ultrasound channels in the order noted above leads to the formation of its external static (volt-ampere) characteristic, which has an almost hyperbolic character. With this characteristic, the charge of the CES is carried out by a practically constant power, i.e. the power of the source is reduced by almost half compared with the ultrasound, characterized by linearly falling external characteristics.

Введение в УЗ ключа двухсторонней проводимости 17 и блока 18 контроля напряжения и управления этим ключом позволяет изменять структуру системы передачи энергии ТИПТ в батарею ЕНЭЭ и регулировать напряжение на батарее накопительных конденсаторов во время их заряда. Например, при разрыве ключа 17, когда напряжение ТИПТ высоко, т.е. выше номинального, заряд конденсаторов 11 и 12 производится одновременно по цепи, рассмотренной выше. В этом случае батарея накопительных конденсаторов может быть заряжена до напряжения, равного утроенному значению линейного напряжения источника.The introduction into the ultrasonic key of the bilateral conductivity key 17 and the voltage monitoring and control unit 18 of this key allows you to change the structure of the TIPT energy transfer system to the ENEE battery and to regulate the voltage on the storage capacitor bank during their charge. For example, when the key 17 is broken, when the voltage of the TIPT is high, i.e. above nominal, the charge of the capacitors 11 and 12 is carried out simultaneously along the circuit discussed above. In this case, the storage capacitor bank can be charged to a voltage equal to three times the value of the line voltage of the source.

Если напряжение источника ниже номинального или требуется зарядить батарею накопительных конденсаторов быстрее, тогда замыкание ключа 17 позволяет зарядить батарею накопительных конденсаторов до напряжения, равного 4U_mл (где U_mл - амплитудное значение линейного напряжения).If the source voltage is lower than the rated voltage or it is required to charge the storage capacitor bank faster, then closing the key 17 allows charging the storage capacitor bank to a voltage of 4U _ml (where U _ml is the linear voltage amplitude value).

Кроме того, в связи с тем, что напряжения источника часто изменяется в пределе от +/-5% до +/-20%, а многие импульсные потребители весьма критичны к величине энергии, передаваемой в них от ЕНЭЭ, зарядные устройства обычно проектируют для работы при наименьшем напряжении источника питания. Поэтому уже при номинальном напряжении ЕНЭЭ может оказаться перезаряженным. В связи с этим большое применение получили так называемые системы заряда "по готовности". В этих системах в момент достижения напряжения на ЕНЭЭ заданного значения передача в него энергии источника прекращается. Это достигается за счет введения в систему заряда ключа 17 двухсторонней проводимости и блока контроля напряжения и управления ключом.In addition, due to the fact that the voltage of the source often varies in the range from +/- 5% to +/- 20%, and many impulse consumers are very critical to the amount of energy transferred to them from the UNEE, chargers are usually designed for operation at the lowest voltage of the power source. Therefore, even at the rated voltage, the CES can be recharged. In this regard, the so-called “ready-to-use” charge systems have been widely used. In these systems, at the moment the voltage at the UNEE reaches the set value, the transfer of the source energy to it stops. This is achieved by introducing into the charge system of the key 17 two-sided conductivity and a voltage monitoring and key control unit.

Отсутствие в технической и патентной литературе сведений (рекомендаций) по выполнению заявленной схемы в целях достижения описанного эффекта (результата) показывает новизну взаимосвязи между совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения и положительным эффектом. Это обеспечивает существенное отличие данного изобретения от всех известных устройств аналогичного назначения, а новизна предложения не следует явным образом из известного уровня техники, что обеспечивает изобретательский уровень данного изобретения. Предложенное устройство может быть использовано, как было отмечено выше, для энергосберегающего заряда не только емкостного накопителя, но и аккумуляторов, устройство позволяет заряжать импульсным током двухсекционные (со средней точкой) аккумуляторные батареи, две батареи, соединенные последовательно, а при разомкнутом ключе 17 - батареи, не имеющие вывода средней точки. Заряд аккумуляторов будет происходить импульсным током. Такой способ заряда в настоящее время является прогрессивным, т.к. обеспечивает лучшие эксплуатационные характеристики у аккумуляторов различных электрохимических систем.The lack of information (recommendations) in the technical and patent literature on the implementation of the claimed scheme in order to achieve the described effect (result) shows the novelty of the relationship between the totality of the essential features of the claimed invention and the positive effect. This provides a significant difference of this invention from all known devices of similar purpose, and the novelty of the proposal does not follow explicitly from the prior art, which provides an inventive step of the present invention. The proposed device can be used, as noted above, for energy-saving charge of not only a capacitive storage device, but also of batteries, the device allows charging two-section (with a midpoint) batteries, two batteries connected in series, and with an open key 17, batteries can be charged with pulse current having no midpoint output. Battery charge will occur by pulsed current. This method of charge is currently progressive, because provides the best performance characteristics for batteries of various electrochemical systems.

Технико-экономические преимущества предлагаемого устройства перед базовым объектом-прототипом вытекают из следующего. Устройство, содержащее трехфазный источник переменного тока, токоограничивающий линейный дроссель, вентильно-конденсаторный выпрямитель-умножитель напряжения, образованный двумя вентильно-конденсаторными трехлучевыми цепочками, дополнительно снабжено ключом двухсторонней проводимости, блоком контроля напряжения и управления ключом, вторым токоограничивающим линейным дросселем, а ТИПТ выполнен трехпроводным. Указанные элементы соединены по предложенной схеме, что делает его более универсальным. Исключается возврат энергии, запасаемой в индуктивности, в источник при протекании через нее зарядного тока. Энергия, запасаемая в индуктивности в начале зарядного импульса, передается в батарею накопительных конденсаторов в конце зарядного импульса, минуя источник. Это уменьшает потери мощности, увеличивает КПД устройства, увеличивает скорость передачи энергии в батарею накопительных конденсаторов и коэффициент мощности устройства, что улучшает удельные энергетические показатели.Technical and economic advantages of the proposed device over the base object of the prototype follow from the following. A device containing a three-phase AC source, a current-limiting linear inductor, a valve-capacitor rectifier-voltage multiplier formed by two valve-capacitor three-beam circuits, is additionally equipped with a two-sided conductivity key, a voltage control and key control unit, a second current-limiting linear choke, and the TIPT is made of a three-wire . These elements are connected according to the proposed scheme, which makes it more versatile. It eliminates the return of energy stored in the inductance to the source when a charging current flows through it. The energy stored in the inductance at the beginning of the charge pulse is transferred to the storage capacitor bank at the end of the charge pulse, bypassing the source. This reduces power losses, increases the efficiency of the device, increases the speed of energy transfer to the battery of storage capacitors and the power factor of the device, which improves the specific energy performance.

Экспериментальные исследования макета устройства заряда батареи накопительных конденсаторов, выполненного по схеме фиг.1, проведенные в лаборатории электроснабжения, подтвердили его хорошую работоспособность и реальность достижения цели, сформулированной в изобретении.Experimental studies of the layout of the device for charging a battery of storage capacitors, made according to the scheme of figure 1, conducted in the laboratory of power supply, confirmed its good performance and the reality of achieving the goals formulated in the invention.

Источники информацииSources of information

1. И.В.Пентегов. ″Основы теории зарядных цепей емкостных накопителей энергии″, Киев, ″Наукова думка″, 1982 г., 420 с.1. I.V. Pentegov. ″ Fundamentals of the theory of charging circuits of capacitive energy storage ″, Kiev, ″ Naukova Dumka ″, 1982, 420 p.

2. Авторское свидетельство СССР №790143, М.кл.³ Н 03 К 3/53, 1980 год.2. Copyright certificate of the USSR No. 790143, M.cl. ³ H 03 K 3/53, 1980.

3. Авторское свидетельство СССР №1018199, М. кл.³ Н 03 К 3/53, 1981 год.3. Copyright certificate of the USSR No. 1018199, M. cl. ³ H 03 K 3/53, 1981.

Claims

A device for charging a battery of storage capacitors, comprising a three-phase AC source, a current-limiting linear inductor, a valve-capacitor rectifier-voltage multiplier formed by two valve-capacitor three-beam chains, each of which consists of two diodes and two capacitors, while connected in series the diodes of one valve-capacitor chain form the first three-beam star, the anode and cathode conclusions of the rays of which through metering condensates ry are connected to the first and second output terminals of a three-phase AC source, and the third beam formed by the diode connection point is connected directly to the third terminal of a three-phase AC source, the capacitors of the other valve-condenser circuit are connected in series and form a storage capacitor bank forming a second three-beam star , one beam of which is connected to the cathode of the third diode and the positive output terminal, the other to the anode of the fourth diode and the negative output the output of the device, and the common point of the battery of storage capacitors forms a third beam, characterized in that when charged from a three-phase three-wire AC source, it is additionally equipped with a two-sided conductivity key, a voltage control and key control unit and a second current-limiting linear choke, while the third anode and cathode the fourth diodes are connected respectively through the windings of current-limiting linear chokes to the cathode and anode terminals of the first three-beam star, the key is double the conduction is between the third rays of the aforementioned stars, and the voltage control and key control unit is connected to the output terminals of the three-phase AC source, the positive and negative output terminals of the device, and the key of two-sided conductivity.