RU2779631C1 - Method for controlling a charger of a capacitive energy storage device with a series bridge resonant inverter - Google Patents

Method for controlling a charger of a capacitive energy storage device with a series bridge resonant inverter Download PDF

Info

Publication number
RU2779631C1
RU2779631C1 RU2022105444A RU2022105444A RU2779631C1 RU 2779631 C1 RU2779631 C1 RU 2779631C1 RU 2022105444 A RU2022105444 A RU 2022105444A RU 2022105444 A RU2022105444 A RU 2022105444A RU 2779631 C1 RU2779631 C1 RU 2779631C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
charger
inverter
energy storage
cycle
resonant
Prior art date
Application number
RU2022105444A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валерий Владимирович Ваняев
Евгений Альбертович Копелович
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" (НГТУ)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" (НГТУ) filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" (НГТУ)
Application granted granted Critical
Publication of RU2779631C1 publication Critical patent/RU2779631C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: electrical engineering.
SUBSTANCE: invention relates to the field of electrical engineering, in particular, to methods for controlling converters of a capacitive energy storage charger with a series bridge resonant inverter with a transformer, to the secondary winding of which an output rectifier is connected, to the output of which a capacitive energy storage is connected, and can be used in electrophysical installations of various destination, in particular, with high operating voltage. In a method for controlling a charger of a capacitive energy storage device with a series bridge resonant inverter, in addition to the main control pulses, on odd clock periods, additional control pulses are sent to the upper transistors of the inverter racks, and on even clock periods, to the lower rack transistors, which lag behind the main pulses by the sum of the half-cycle durations natural oscillations of the resonant power circuit and the half-cycle of natural oscillations of the resonant circuit formed by the inductance of the power circuit and the reduced capacitance of the secondary winding of the high-voltage transformer.
EFFECT: introduction of additional control pulses makes it possible to reduce the energy intensity, weight, dimensions and cost of the resonant circuit elements, increase the efficiency of the charger and the reliability of its operation.
1 cl, 7 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области электротехники, в частности, к способам управления зарядным устройством емкостного накопителя энергии с последовательным мостовым резонансным инвертором, высоковольтным трансформатором, к выходу которого подключен выпрямитель к выходу которого присоединен емкостный накопитель энергии, и может быть использовано в электрофизических установках различного назначения, с рабочим напряжением единицы-десятки киловольт.The invention relates to the field of electrical engineering, in particular, to methods for controlling a charger of a capacitive energy storage device with a series bridge resonant inverter, a high-voltage transformer, to the output of which a rectifier is connected to the output of which a capacitive energy storage device is connected, and can be used in electrophysical installations for various purposes, with operating voltage of one to tens of kilovolts.

Известен способ управления зарядным устройством емкостного накопителя энергии с последовательным мостовым резонансным инвертором [1, 2, 3] , имеющим две стойки из двух последовательно соединенных верхнего и нижнего транзисторов с обратными диодами, и выходным трансформатором, к вторичной обмотке которого подключен выходной выпрямитель, к выходу которого присоединен емкостный накопитель энергии, согласно которому импульсы управления длительностью равной полупериоду собственных колебаний силового резонансного контура инвертора одновременно подают на управляющие электроды транзисторов одной диагональной пары стоек моста, а затем через тактовый полупериод, на управляющие электроды транзисторов другой диагональной пары.A known method of controlling a charger of a capacitive energy storage device with a series bridge resonant inverter [1, 2, 3], having two racks of two series-connected upper and lower transistors with freewheeling diodes, and an output transformer, to the secondary winding of which an output rectifier is connected, to the output which is connected to a capacitive energy storage device, according to which control pulses with a duration equal to the half-cycle of the natural oscillations of the power resonant circuit of the inverter are simultaneously fed to the control electrodes of the transistors of one diagonal pair of bridge racks, and then, after a clock half-cycle, to the control electrodes of the transistors of another diagonal pair.

Недостаток такого способа состоит в том, что при снижении тактовой частоты в режиме стабилизации выходного напряжения зарядного устройства, происходит увеличение индукции в сердечнике трансформатора и его насыщение. Насыщение сердечника сопровождается увеличением токов транзисторов инвертора свыше рабочих значений, повышением напряжения на элементах резонансного контура и нестабильной работой устройства. За счет этого снижается надежность работы зарядных устройств с последовательным мостовым резонансным инвертором, реализующих такой способ управления, и ограничиваются их функциональные возможности.The disadvantage of this method is that when the clock frequency decreases in the mode of stabilization of the output voltage of the charger, the induction in the transformer core increases and it saturates. Saturation of the core is accompanied by an increase in the currents of the inverter transistors above operating values, an increase in the voltage on the elements of the resonant circuit and unstable operation of the device. Due to this, the reliability of the chargers with a series bridge resonant inverter that implements this control method is reduced, and their functionality is limited.

Указанный недостаток устранен при способе управления [4], согласно которому для исключения режима насыщения и токовой перегрузки силовых транзисторов в режиме стабилизации напряжения емкостного накопителя энергии на нижние транзисторы обеих стоек мостового резонансного инвертора подают дополнительные импульсы управления со сдвигом относительно основных на половину периода, соответствующего его номинальной тактовой частоте.This disadvantage is eliminated by the control method [4], according to which, in order to exclude the saturation mode and current overload of power transistors in the voltage stabilization mode of the capacitive energy storage, additional control pulses are applied to the lower transistors of both racks of the bridge resonant inverter with a shift relative to the main ones by half the period corresponding to its nominal clock frequency.

Недостаток известных способов управления состоит в том, что в режиме зарядки емкостного накопителя энергии до заданного значения напряжения амплитуда напряжения на конденсаторе резонансного контура в два раза превышает напряжение источника питания, [2], что увеличивает его энергоемкость, массу, габариты и стоимость.The disadvantage of the known control methods is that in the mode of charging a capacitive energy storage device to a predetermined voltage value, the voltage amplitude on the capacitor of the resonant circuit is twice the voltage of the power source, [2], which increases its energy intensity, weight, dimensions and cost.

Кроме того в токе, потребляемом мостовым резонансным инвертором, имеются интервалы обратной полярности, что ведет к увеличению действующего значения переменной составляющей этого тока. Так как питание зарядных устройств емкостных накопителей энергии мощных электрофизических установок осуществляется от трехфазной промышленной сети через трехфазный мостовой выпрямитель со сглаживающим L - C фильтром, то это увеличение вызывает рост потерь в конденсаторе фильтра, через который протекает переменная составляющая потребляемого тока. Сокращается также ресурс конденсатора фильтра, снижается КПД зарядного устройства и надежность его работы.In addition, in the current consumed by the bridge resonant inverter, there are intervals of reverse polarity, which leads to an increase in the effective value of the variable component of this current. Since the chargers of capacitive energy storage devices of powerful electrophysical installations are powered from a three-phase industrial network through a three-phase bridge rectifier with a smoothing L - C filter, this increase causes an increase in losses in the filter capacitor, through which the variable component of the consumed current flows. The resource of the filter capacitor is also reduced, the efficiency of the charger and the reliability of its operation are reduced.

Эти недостатки устраняются предлагаемым решением.These shortcomings are eliminated by the proposed solution.

Задача, решаемая предлагаемым способом, - снижение энергоемкости, массы, габаритов и стоимости конденсатора резонансного контура, а также уменьшение потерь в конденсаторе фильтра, увеличение его ресурса, повышение КПД зарядного устройства с последовательным мостовым резонансным инвертором и надежности его работы.The problem solved by the proposed method is to reduce the energy consumption, weight, dimensions and cost of the resonant circuit capacitor, as well as reduce losses in the filter capacitor, increase its resource, increase the efficiency of the charger with a series bridge resonant inverter and its reliability.

Технический результат от использования предлагаемого способа заключается в снижении амплитуды напряжения на резонансном конденсаторе, выравнивании токовой нагрузки полупроводниковых приборов резонансного инвертора, уменьшении действующего значения тока, протекающего через конденсатор входного фильтра зарядного устройства, упрощении устройства управления, которое реализует единый алгоритм управления инвертором во всех режимах работы ЗУ.The technical result of using the proposed method is to reduce the voltage amplitude on the resonant capacitor, equalize the current load of the semiconductor devices of the resonant inverter, reduce the effective value of the current flowing through the charger input filter capacitor, simplify the control device that implements a single inverter control algorithm in all operating modes memory.

Указанный результат достигается тем, что в способе управления зарядным устройством емкостного накопителя энергии с последовательным мостовым резонансным инвертором, имеющим две стойки из двух последовательно соединенных верхнего и нижнего транзисторов с обратными диодами, и выходным трансформатором, к вторичной обмотке которого присоединен выходной выпрямитель, к выходу которого подключен емкостный накопитель энергии, согласно которому во всех режимах работы зарядного устройства основные импульсы управления длительностью равной длительности полупериода собственных колебаний силового резонансного контура инвертора одновременно подают на управляющие электроды транзисторов одной диагональной пары стоек моста, затем через тактовый полупериод, на управляющие электроды транзисторов другой диагональной пары, кроме того на нечетных тактовых периодах подают дополнительный импульс управления на верхний транзистор каждой стойки, который отстает от основного импульса, подаваемого на верхний транзистор другой стойки, а на четных периодах тактовой частоты подают дополнительный импульс управления на нижний транзистор каждой стойки, который отстает от основного импульса, подаваемого на нижний транзистор другой стойки, причем длительность отставания равна сумме длительностей полупериода собственных колебаний резонансного силового контура и полупериода собственных колебаний резонансного контура, образованного индуктивностью силового контура и емкостью вторичной обмотки высоковольтного трансформатора, приведенной к его первичной обмотке.This result is achieved by the fact that in the method of controlling the charger of a capacitive energy storage device with a series bridge resonant inverter, having two racks of two series-connected upper and lower transistors with freewheeling diodes, and an output transformer, to the secondary winding of which an output rectifier is connected, to the output of which a capacitive energy storage device is connected, according to which, in all operating modes of the charger, the main control pulses with a duration equal to the duration of the half-cycle of natural oscillations of the power resonant circuit of the inverter are simultaneously fed to the control electrodes of the transistors of one diagonal pair of bridge racks, then, after a clock half-cycle, to the control electrodes of the transistors of another diagonal pair , in addition, at odd clock periods, an additional control pulse is applied to the upper transistor of each rack, which lags behind the main pulse applied to the upper transit side of the other rack, and at even periods of the clock frequency, an additional control pulse is applied to the lower transistor of each rack, which lags behind the main pulse applied to the lower transistor of the other rack, and the lag duration is equal to the sum of the durations of the half-cycle of natural oscillations of the resonant power circuit and the half-period of natural oscillations of the resonant the circuit formed by the inductance of the power circuit and the capacitance of the secondary winding of a high-voltage transformer, reduced to its primary winding.

На фиг. 1 представлена электрическая схема зарядного устройства, где: 1, 2, 3, 4 - транзисторы; 5, 6, 7, 8 - обратные шунтирующие диоды; 9 - конденсатор резонансного контура; 10 - дроссель резонансного контура; 11 - высоковольтный трансформатор; 12 - выходной выпрямитель; 13 - емкостный накопитель энергии; 14 - собственная емкость вторичной обмотки высоковольтного трансформатора. На фиг. 1 сетевой выпрямитель и сглаживающий L -C фильтр не показан.In FIG. 1 shows the electrical circuit of the charger, where: 1, 2, 3, 4 - transistors; 5, 6, 7, 8 - reverse shunt diodes; 9 - resonant circuit capacitor; 10 - choke of the resonant circuit; 11 - high voltage transformer; 12 - output rectifier; 13 - capacitive energy storage; 14 - self-capacitance of the secondary winding of the high-voltage transformer. In FIG. 1 mains rectifier and L-C smoothing filter not shown.

На фиг. 2 приведены диаграммы работы преобразователя при предлагаемом способе управления.In FIG. Figure 2 shows diagrams of the operation of the converter with the proposed control method.

На диаграммах обозначены:

Figure 00000001
- диаграмма тока первичной обмотки трансформатора 11, а также резонансного контура;
Figure 00000002
- диаграмма напряжения конденсатора 9;
Figure 00000003
- диаграмма напряжения конденсатора 14;
Figure 00000004
- диаграмма тока, потребляемого резонансным инвертором;
Figure 00000005
,
Figure 00000006
- диаграммы импульсов управления, соответственно, транзисторами 1 и 2 инвертора, образующими первую стойку инвертора;
Figure 00000007
,
Figure 00000008
- диаграммы импульсов управления, соответственно, транзисторами 3 и 4, образующими вторую стойку инвертора.The diagrams show:
Figure 00000001
- current diagram of the primary winding of the transformer 11, as well as the resonant circuit;
Figure 00000002
- capacitor voltage diagram 9;
Figure 00000003
- capacitor voltage diagram 14;
Figure 00000004
- diagram of the current consumed by the resonant inverter;
Figure 00000005
,
Figure 00000006
- control pulse diagrams, respectively, by transistors 1 and 2 of the inverter, forming the first rack of the inverter;
Figure 00000007
,
Figure 00000008
- diagrams of control pulses, respectively, by transistors 3 and 4, forming the second rack of the inverter.

На фиг. 3 приведены диаграммы зарядного устройства при известном способе управления транзисторами резонансного инвертора, полученные на его имитационной модели в среде MATLAB Simulink. Диаграммы получены при следующих параметрах модели: напряжение питания - 500В; емкость конденсатора 9 -

Figure 00000009
мкФ; индуктивность дросселя 10 резонансного контура с учетом рассеяния обмоток трансформатора -
Figure 00000010
мкГн; коэффициент трансформации трансформатора 11 -
Figure 00000011
; емкость конденсатора 13 -
Figure 00000012
мкФ; емкость конденсатора 14 -
Figure 00000013
нФ; тактовая частота преобразователя -
Figure 00000014
кГц.In FIG. Figure 3 shows diagrams of a charger with a known method for controlling transistors of a resonant inverter, obtained on its simulation model in the MATLAB Simulink environment. The diagrams were obtained with the following model parameters: supply voltage - 500V; capacitor capacitance 9 -
Figure 00000009
uF; choke inductance 10 of the resonant circuit, taking into account the scattering of the transformer windings -
Figure 00000010
µH; transformer ratio 11 -
Figure 00000011
; capacitor capacitance 13 -
Figure 00000012
uF; capacitor capacity 14 -
Figure 00000013
nF; converter clock frequency -
Figure 00000014
kHz.

На фиг. 4 приведены диаграммы зарядного устройства c предлагаемым способом управления транзисторами инвертора, полученные на его имитационной модели в среде MATLAB Simulink. Диаграммы получены при следующих параметрах модели: напряжение питания - 500В; емкость конденсатора 9 -

Figure 00000015
мкФ; индуктивность дросселя 10 резонансного контура с учетом рассеяния обмоток трансформатора -
Figure 00000016
мкГн; коэффициент трансформации трансформатора 11 -
Figure 00000011
; емкость конденсатора 13 -
Figure 00000017
мкФ; емкость конденсатора 14 -
Figure 00000013
нФ; тактовая частота преобразователя -
Figure 00000014
кГц.In FIG. Figure 4 shows diagrams of the charger with the proposed method for controlling the inverter transistors, obtained on its simulation model in the MATLAB Simulink environment. The diagrams were obtained with the following model parameters: supply voltage - 500V; capacitor capacitance 9 -
Figure 00000015
uF; choke inductance 10 of the resonant circuit, taking into account the scattering of the transformer windings -
Figure 00000016
µH; transformer ratio 11 -
Figure 00000011
; capacitor capacitance 13 -
Figure 00000017
uF; capacitor capacity 14 -
Figure 00000013
nF; converter clock frequency -
Figure 00000014
kHz.

Зарядное устройство емкостного накопителя энергии с последовательным мостовым резонансным инвертором с предлагаемым способом управления согласно приведенному описанию характеризуется порядком работы транзисторов и диодов, представленным в таблице 1.A capacitive energy storage charger with a series bridge resonant inverter with the proposed control method according to the description is characterized by the order of operation of transistors and diodes, presented in table 1.

Порядок работы транзисторов и диодов при предлагаемом способе управления The order of operation of transistors and diodes with the proposed control method

Таблица 1Table 1 ПериодPeriod Полупериодhalf cycle Интервал 1Interval 1 Интервал 2Interval 2 Интервал 3Interval 3 Интервал 4Interval 4 НечетныйOdd 1-й1st 1, 4fourteen 5, 85, 8 3, 53, 5 -- 2-й2nd 2, 3 2, 3 6, 76, 7 1, 71, 7 -- ЧетныйHonest 1-й1st 1, 4fourteen 5, 85, 8 2, 82, 8 -- 2-й2nd 2, 3 2, 3 6, 76, 7 4, 64, 6 --

Для выявления основных закономерностей предлагаемого способа управления рассмотрим работу зарядного устройства на первом полупериоде нечетного тактового периода.To identify the main regularities of the proposed control method, consider the operation of the charger in the first half-cycle of an odd clock period.

В пределах рассматриваемого полупериода в работе зарядного устройства в соответствии с табл. 1 в общем случае имеют место четыре характерных интервала.Within the considered half-cycle in the operation of the charger in accordance with the table. 1, in the general case, there are four characteristic intervals.

Первый интервал (

Figure 00000018
на фиг. 2). Проводят транзисторы 1, 4 и под действием напряжения питания
Figure 00000019
резонансного инвертора происходит перезарядка конденсатора 9 с начального уровня
Figure 00000020
до конечного значения
Figure 00000021
в полярности, показанной на фиг. 2, и зарядка емкостного накопителя 13. Процесс изменения во времени тока
Figure 00000022
резонансного контура и тока
Figure 00000023
имеет колебательный характер с собственной круговой частотой
Figure 00000024
, где L и C - величина индуктивности дросселя 10 и емкости 9, соответственно.First interval (
Figure 00000018
in fig. 2). Conduct transistors 1, 4 and under the action of the supply voltage
Figure 00000019
resonant inverter, capacitor 9 is recharged from the initial level
Figure 00000020
to final value
Figure 00000021
in the polarity shown in Fig. 2, and charging the capacitive storage 13. The process of changing the current with time
Figure 00000022
resonant circuit and current
Figure 00000023
has an oscillatory character with its own circular frequency
Figure 00000024
, where L and C - the value of the inductance of the inductor 10 and capacitance 9, respectively.

Конденсатор 14 через открытые диоды выходного выпрямителя 12 подключен параллельно конденсатору 13 и его напряжение

Figure 00000025
равно напряжению
Figure 00000026
конденсатора 13. Интервал завершается при достижении током
Figure 00000027
нулевого значения.Capacitor 14 through open diodes of output rectifier 12 is connected in parallel with capacitor 13 and its voltage
Figure 00000025
equal to voltage
Figure 00000026
capacitor
13. The interval ends when the current reaches
Figure 00000027
zero value.

Математическому описанию процессов на 1-м интервале соответствует схема замещения на фиг. 5.The mathematical description of the processes in the 1st interval corresponds to the equivalent circuit in Fig. 5.

При отсутствии потерь в силовой цепи процессы, протекающие в ней на первом интервале «j» полупериода работы зарядного устройства, описываются уравнениемIn the absence of losses in the power circuit, the processes occurring in it in the first interval " j " of the half-cycle of the charger are described by the equation

Figure 00000028
Figure 00000028

где

Figure 00000029
- величина емкости конденсатора 13, приведенная к первичной обмотке трансформатора 11;
Figure 00000030
- начальное напряжение конденсатора 9 на 1-м интервале «j» полупериода работы;
Figure 00000031
- напряжение ЕНЭ, которое на «j» периоде тактовой частоты почти неизменно, так как на практике выполняется соотношениеwhere
Figure 00000029
- the value of the capacitance of the capacitor 13, reduced to the primary winding of the transformer 11;
Figure 00000030
- the initial voltage of the capacitor 9 on the 1st interval " j "half-cycle;
Figure 00000031
- the voltage of the CES, which is almost unchanged on the “ j ” period of the clock frequency, since in practice the relation is fulfilled

Figure 00000032
Figure 00000032

где

Figure 00000033
- величина емкости конденсатора 14, приведенная к первичной обмотке трансформатора 11.where
Figure 00000033
- the value of the capacitance of the capacitor 14, reduced to the primary winding of the transformer 11.

Уравнение (1) может быть преобразовано к видуEquation (1) can be converted to the form

Figure 00000034
Figure 00000034

Решая уравнение (3), находим выражения тока

Figure 00000035
в контуре и напряжения конденсаторов 9 и 13Solving equation (3), we find the expressions for the current
Figure 00000035
in the circuit and the voltage of capacitors 9 and 13

Figure 00000036
Figure 00000036

Figure 00000037
Figure 00000037

Figure 00000038
,
Figure 00000038
,

где

Figure 00000039
- круговая частота собственных колебаний силового контура на 1-м интервале;
Figure 00000040
- эквивалентная емкость силового контура, определяемая из выраженияwhere
Figure 00000039
- circular frequency of natural oscillations of the power circuit in the 1st interval;
Figure 00000040
- equivalent capacity of the power circuit, determined from the expression

Figure 00000041
Figure 00000041

Figure 00000042
- относительное значение емкости конденсатора 13.
Figure 00000042
- the relative value of the capacitance of the capacitor 13.

При выполнении условия (2) справедливы равенства

Figure 00000043
и
Figure 00000044
.When condition (2) is satisfied, the equalities
Figure 00000043
and
Figure 00000044
.

Угловая длительность первого интервала

Figure 00000045
определяется из условия
Figure 00000046
, в соответствии с которым согласно (4) получаемAngular duration of the first interval
Figure 00000045
determined from the condition
Figure 00000046
, according to which, according to (4), we obtain

Figure 00000047
Figure 00000047

Напряжения на конденсаторах 9 и 13 к концу первого интервала примут значенияThe voltages on capacitors 9 and 13 by the end of the first interval will take on the values

Figure 00000048
Figure 00000048

Figure 00000049
Figure 00000049

Второй интервал (

Figure 00000050
на фиг. 2). (Проводят диоды 5 и 8) К моменту времени
Figure 00000051
сумма напряжений (
Figure 00000052
) превышает напряжение источника питания
Figure 00000053
и при снижении тока
Figure 00000054
до нуля отпираются обратные диоды 5, 8. Под действием суммы напряжений (
Figure 00000055
) происходит колебательный процесс перезарядки конденсатора 14 через дроссель 10, конденсатор 9 и цепь питания инвертора. При этом токи
Figure 00000056
и
Figure 00000057
меняют свою полярность. Напряжение конденсатора 14 на этом интервале изменяется от напряжения
Figure 00000058
до напряжения
Figure 00000059
, равного
Figure 00000060
.Second interval (
Figure 00000050
in fig. 2). (Conduct diodes 5 and 8) By the time
Figure 00000051
sum of stresses (
Figure 00000052
) exceeds the power supply voltage
Figure 00000053
and with decreasing current
Figure 00000054
reverse diodes 5, 8 are unlocked to zero. Under the action of the sum of voltages (
Figure 00000055
) there is an oscillatory process of recharging the capacitor 14 through the inductor 10, the capacitor 9 and the inverter power circuit. At the same time, the currents
Figure 00000056
and
Figure 00000057
change their polarity. The voltage of the capacitor 14 in this interval varies from the voltage
Figure 00000058
up to voltage
Figure 00000059
equal to
Figure 00000060
.

При условии

Figure 00000061
круговая частота процесса определяется по формуле
Figure 00000062
. Так как с момента начала перезарядки конденсатора 14 его напряжение становится менее напряжения конденсатора 13, то диоды выпрямителя 12 закрыты, и ток через конденсатор 13 на данном интервале не протекает.On condition
Figure 00000061
the circular frequency of the process is determined by the formula
Figure 00000062
. Since from the moment the capacitor 14 begins to recharge, its voltage becomes less than the voltage of the capacitor 13, the rectifier diodes 12 are closed, and the current through the capacitor 13 does not flow in this interval.

В момент времени

Figure 00000063
ток
Figure 00000064
снижается до нуля, а сумма напряжений (
Figure 00000052
) становится меньше напряжения источника питания
Figure 00000053
, и второй интервал заканчивается.At the point in time
Figure 00000063
current
Figure 00000064
decreases to zero, and the sum of stresses (
Figure 00000052
) becomes smaller than the power supply voltage
Figure 00000053
, and the second interval ends.

Второму интервалу «j» полупериода работы зарядного устройства соответствует схема замещения на фиг. 6 и следующее дифференциальное уравнениеThe second interval " j " of the half-cycle of the charger corresponds to the equivalent circuit in Fig. 6 and the following differential equation

Figure 00000065
Figure 00000065

Решая уравнение (11), при условиях (2) и (10) получаемSolving equation (11), under conditions (2) and (10), we obtain

Figure 00000066
Figure 00000066

Figure 00000067
Figure 00000067

Figure 00000068
Figure 00000068

где

Figure 00000069
- круговая частота собственных колебаний силового контура на 2-м интервале.where
Figure 00000069
- circular frequency of natural oscillations of the power circuit in the 2nd interval.

Угловая длительность второго интервала

Figure 00000070
определяется из условия
Figure 00000046
, в соответствии с которым согласно (12) получаемAngular duration of the second interval
Figure 00000070
determined from the condition
Figure 00000046
, according to which, according to (12), we obtain

Figure 00000071
Figure 00000071

Напряжения

Figure 00000072
и
Figure 00000073
на конденсаторах 9, 13 и 14 к концу второго интервала при условии (2) примут значенияVoltage
Figure 00000072
and
Figure 00000073
on capacitors 9, 13 and 14 by the end of the second interval under condition (2) will take on the values

Figure 00000074
Figure 00000074

Figure 00000075
Figure 00000075

По окончании 2-го интервала в момент времени

Figure 00000076
отпирают транзистор 3, и начинается 3-й интервал работы ЗУ.At the end of the 2nd interval at time
Figure 00000076
transistor
3 is unlocked, and the 3rd interval of the memory operation begins.

Третий интервал (

Figure 00000077
на фиг. 2). (Проводит транзистор 3 и диод 5). На 3-м интервале происходит колебательный разряд конденсатора 9 с начального напряжения
Figure 00000078
до напряжения
Figure 00000079
с круговой частотой
Figure 00000080
по контуру (фиг.1), включающему в себя элементы 9 - 5 - 3 - 11 - 10 - 9, и подзарядка конденсатора 13. Напряжение
Figure 00000081
конденсатора 14 при этом равно
Figure 00000082
. В момент времени
Figure 00000083
ток
Figure 00000084
колебательного контура достигает нуля и интервал завершается. На третьем интервале ток
Figure 00000085
, потребляемый инвертором, равен нулю.Third interval (
Figure 00000077
in fig. 2). (Conducts transistor 3 and diode 5). On the 3rd interval, an oscillatory discharge of the capacitor 9 occurs from the initial voltage
Figure 00000078
up to voltage
Figure 00000079
with circular frequency
Figure 00000080
along the contour (figure 1), which includes elements 9-5-3-eleven-ten-9, and recharging the capacitor 13. Voltage
Figure 00000081
capacitor
14 is equal to
Figure 00000082
. At the point in time
Figure 00000083
current
Figure 00000084
the oscillatory circuit reaches zero and the interval ends. On the third interval, the current
Figure 00000085
consumed by the inverter is zero.

Схема замещения ЗУ на 3-м интервале непрерывности дана на фиг. 7.The replacement circuit of the memory at the 3rd continuity interval is given in Fig. 7.

Математическое описание 3-го интервала имеет видThe mathematical description of the 3rd interval has the form

Figure 00000086
Figure 00000086

Figure 00000087
Figure 00000087

Figure 00000088
Figure 00000088

Figure 00000089
Figure 00000089

Длительность третьего интервала

Figure 00000090
также определяется из условия
Figure 00000091
, в соответствии с которым и формулой (19) получаемThe duration of the third interval
Figure 00000090
is also determined from the condition
Figure 00000091
, according to which and formula (19) we obtain

Figure 00000092
Figure 00000092

Напряжения на конденсаторах 9, 14 к концу третьего интервала достигают значенийThe voltages on the capacitors 9, 14 by the end of the third interval reach the values

Figure 00000093
Figure 00000093

Figure 00000094
Figure 00000094

Выражения (23), (24) с учетом (2) примут видExpressions (23), (24) taking into account (2) will take the form

Figure 00000095
Figure 00000095

Figure 00000096
Figure 00000096

Четвертый интервал 4 (

Figure 00000097
на фиг. 2). Здесь полупроводниковые приборы ток не проводят и напряжения
Figure 00000098
и
Figure 00000099
сохраняют свои значения:
Figure 00000100
,
Figure 00000101
. Этот интервал завершает первый полупериод
Figure 00000102
тактовой частоты. Длительность бестоковой паузы определяется значением тактовой частоты зарядного устройства. При выборе тактовой частоты из условияFourth interval 4 (
Figure 00000097
in fig. 2). Here, semiconductor devices do not conduct current and voltage
Figure 00000098
and
Figure 00000099
keep their values:
Figure 00000100
,
Figure 00000101
. This interval completes the first half cycle
Figure 00000102
clock frequency. The duration of the dead time is determined by the value of the clock frequency of the charger. When choosing a clock frequency from the condition

Figure 00000103
Figure 00000103

где

Figure 00000104
,
Figure 00000105
- частоты собственных колебаний силового контура на 1-м и 2-м интервале, бестоковая пауза отсутствует.where
Figure 00000104
,
Figure 00000105
- frequencies of natural oscillations of the power circuit on the 1st and 2nd intervals, there is no dead pause.

Далее в работе зарядного устройства следует второй тактовый полупериод

Figure 00000102
, на первом интервале которого проводят транзисторы 2 и 3, затем диоды 6 и 7, потом транзистор 1 и диод, 7 и затем после очередной бестоковой паузы первый (нечетный) период тактовой частоты завершается.Next, in the operation of the charger, the second clock half-cycle follows.
Figure 00000102
, on the first interval of which transistors 2 and 3 are conducted, then diodes 6 and 7, then transistor 1 and diode 7 , and then after the next dead pause, the first (odd) period of the clock frequency ends.

После этого начинается второй (четный) тактовый период, процессы на интервалах которого, имеют идентичный характер, а порядок работы транзисторов и диодов соответствует таблице 1.After that, the second (even) clock period begins, the processes at the intervals of which are of an identical nature, and the order of operation of transistors and diodes corresponds to Table 1.

Напряжение на конденсаторе 9 к концу первого тактового полупериода с учетом формул (9), (16), (25) примет значениеThe voltage on capacitor 9 by the end of the first clock half-cycle, taking into account formulas (9), (16), (25), will take on the value

Figure 00000106
Figure 00000106

Из выражений (28) и (9) находим начальное и амплитудное на тактовом полупериоде напряжение конденсатора 9From expressions (28) and (9) we find the initial and amplitude on the clock half-cycle voltage of the capacitor 9

Figure 00000107
Figure 00000107

Figure 00000108
Figure 00000108

Согласно выражениям (17) и (30) напряжение конденсатора 14 в конце 2-го интервала имеет значение

Figure 00000109
равное
Figure 00000110
. При этом полярность напряжения
Figure 00000111
противоположна полярности напряжения
Figure 00000112
в начале этого интервала (фиг. 2).According to expressions (17) and (30), the voltage of the capacitor 14 at the end of the 2nd interval is
Figure 00000109
equal
Figure 00000110
. In this case, the polarity of the voltage
Figure 00000111
opposite voltage polarity
Figure 00000112
at the beginning of this interval (Fig. 2).

Из формулы (30) следует, что при предлагаемом способе управления амплитуда напряжения на конденсаторе 9 резонансного контура не зависит от напряжения емкостного накопителя энергии и равна напряжению источника питания, что в два раза меньше, чем при известном способе управления.It follows from formula (30) that with the proposed control method, the voltage amplitude across the capacitor 9 of the resonant circuit does not depend on the voltage of the capacitive energy storage and is equal to the voltage of the power source, which is two times less than with the known control method.

Наибольшее среднее на периоде собственных колебаний силового контура значение потребляемого тока без учета относительно небольшой длительности 2-го интервала и отсутствии бестоковой паузы при наибольшей тактовой частоте определяется по формулеThe largest average value of the consumed current over the period of natural oscillations of the power circuit, excluding the relatively short duration of the 2nd interval and the absence of a dead pause at the highest clock frequency, is determined by the formula

Figure 00000113
Figure 00000113

где

Figure 00000114
- ток, протекающий в контуре на 1-м интервале «j» полупериода работы ЗУ, величина которого определяется из выражения (4).where
Figure 00000114
- the current flowing in the circuit at the 1st interval " j " of the half-cycle of the memory, the value of which is determined from expression (4).

Выполняя интегрирование, получаемBy integrating, we get

Figure 00000115
Figure 00000115

Подставляя в (32) выражение (29) находим окончательное выражение для расчета среднего значения входного тока ЗУSubstituting expression (29) into (32), we find the final expression for calculating the average value of the input current of the charger

Figure 00000116
Figure 00000116

Наибольшее среднее значение приведенного выходного тока зарядного устройства (зарядного тока емкостного накопителя энергии) рассчитывается по формулеThe highest average value of the reduced output current of the charger (capacitive energy storage charging current) is calculated by the formula

Figure 00000117
Figure 00000117

где

Figure 00000118
- ток, протекающий в контуре на 3-м интервале «j» полупериода работы ЗУ, величина которого определяется из выражения (19).where
Figure 00000118
- the current flowing in the circuit on the 3rd interval " j " of the half-cycle of the memory, the value of which is determined from the expression (19).

Из выражений (33) и (34) следует, что ЗУ при предлагаемом способе управления так же, как и при известном способе [1, 2, 3], представляет собой источник постоянного тока, величина которого определяется напряжением питания и параметрами силового контура.From expressions (33) and (34) it follows that the memory with the proposed control method, as well as with the known method [1, 2, 3], is a source of direct current, the value of which is determined by the supply voltage and the parameters of the power circuit.

Характер временных зависимостей гладких (усредненных на полупериоде значений) составляющих тока и напряжения ЕНЭ идентичен тем же зависимостям при известном способе управления [2, 3].The nature of the time dependences of the smooth (averaged over a half-cycle values) components of the current and voltage of the CES is identical to the same dependences with a known control method [2, 3].

Максимальное значение мощности зарядки имеет место в конце цикла зарядки при условии

Figure 00000119
и согласно (34) определяется по формулеThe maximum value of the charging power occurs at the end of the charge cycle under the condition
Figure 00000119
and according to (34) is determined by the formula

Figure 00000120
Figure 00000120

Средняя за цикл величина мощности зарядки будетThe average value of the charging power per cycle will be

Figure 00000121
Figure 00000121

Из выражений (35) и (36) следует, что среднее значение мощности зарядки при предлагаемом способе управления вдвое ниже, чем в известном способе управления [2]. Для сохранения прежнего среднего значения мощности зарядки при неизменном значении круговой частоты

Figure 00000122
согласно (36) требуется вдвое увеличить емкость конденсатора 9 и с учетом того, что
Figure 00000123
, вдвое уменьшить индуктивность дросселя 10.From expressions (35) and (36) it follows that the average value of the charging power with the proposed control method is two times lower than in the known control method [2]. To maintain the same average value of the charging power at the same value of the circular frequency
Figure 00000122
according to (36), it is required to double the capacitance of the capacitor 9 and taking into account the fact that
Figure 00000123
, halve the inductance of the inductor 10.

При реализации известного способа управления энергоемкость конденсатора 9 согласно изложенному в [2] равнаWhen implementing the known control method, the energy capacity of the capacitor 9, according to what is stated in [2], is equal to

Figure 00000124
Figure 00000124

При том же самом среднем значении мощности зарядки в случае реализации предлагаемого способа управления, требуемая энергоемкость конденсатора 9 будетWith the same average value of the charging power in the case of the implementation of the proposed control method, the required energy capacity of the capacitor 9 will be

Figure 00000125
Figure 00000125

Сопоставление выражений (37) и (38) показывает, что предлагаемый способ управления позволяет вдвое снизить требуемую энергоемкость конденсатора резонансного контура по сравнению с известным способом.Comparison of expressions (37) and (38) shows that the proposed control method makes it possible to halve the required energy capacity of the resonant circuit capacitor compared to the known method.

В этих условиях согласно (4) и (29) наибольшая амплитуда тока силового контура имеет ту же величину равную

Figure 00000126
, что и при известном способе управления [3]. Так как требуемая индуктивность дросселя при предлагаемом способе управления меньше в два раза, чем при известном способе, то энергоемкость дросселя 10 резонансного контура, рассчитываемая по формулеUnder these conditions, according to (4) and (29), the largest amplitude of the current of the power circuit has the same value equal to
Figure 00000126
, as with the known control method [3]. Since the required inductance of the choke with the proposed control method is two times less than with the known method, the energy capacity of the choke 10 of the resonant circuit, calculated by the formula

Figure 00000127
Figure 00000127

при предлагаемом способе управления также снижается в два раза.with the proposed method of control is also reduced by half.

Согласно выражениям (4), (12), (29), (30) соотношение амплитуд токов (фиг.2) на втором и первом интервале (фиг.2) определяется по формулеAccording to expressions (4), (12), (29), (30) the ratio of the amplitudes of the currents (figure 2) in the second and first interval (figure 2) is determined by the formula

Figure 00000128
Figure 00000128

из которой, согласно условию (2), вытекает неравенствоwhich, according to condition (2), implies the inequality

Figure 00000129
Figure 00000129

Из неравенства (41), а также из диаграмм на фиг. 4 следует, что ток, потребляемый инвертором, имеет практически однонаправленный характер, что уменьшает действующее значение его переменной составляющей и снижает потери в конденсаторе входного фильтра. За счет этого уменьшается нагрев этого конденсатора, увеличивается его ресурс и повышается надежность работы ЗУ.From inequality (41), as well as from the diagrams in Fig. 4 it follows that the current consumed by the inverter is practically unidirectional, which reduces the effective value of its variable component and reduces losses in the input filter capacitor. This reduces the heating of this capacitor, increases its resource and increases the reliability of the memory.

Источники информацииSources of information

1. Копелович Е.А., Ваняев В.В., Троицкий М.М., Хватов С.В., Флат Ф.А. Транзисторно-конденсаторные зарядные устройства мегаджоульных емкостных накопителей энергии // Электротехника, №7, 2010. - с. 11-16.1. Kopelovich E.A., Vanyaev V.V., Troitsky M.M., Khvatov S.V., Flat F.A. Transistor-capacitor chargers for megajoule capacitive energy storage // Electrical Engineering, No. 7, 2010. - p. 11-16.

2. Oh J. S., Jang S. D., Son Y. G., Cho M. H. Development and application of an inverter charging supply to a pulse modulator // Proc. of LINAC Gyeongju, Korea 2002. pp. 207-209.2. Oh J. S., Jang S. D., Son Y. G., Cho M. H. Development and application of an inverter charging supply to a pulse modulator // Proc. of LINAC Gyeongju, Korea 2002. pp. 207-209.

3. H.R. Hafezi, S.J. Mousavi, M. Barati, and M.H. Rahdan Design and Construction of 30 kV Capacitor Charger Using of Series Resonant Converter // Pulsed Power Technology. pp. 296 - 299.3.H.R. Hafezi, S.J. Mousavi, M. Barati, and M.H. Rahdan Design and Construction of 30 kV Capacitor Charger Using of Series Resonant Converter // Pulsed Power Technology. pp. 296 - 299.

4. Ваняев В.В., Копелович Е.А. Электромагнитные процессы в зарядном устройстве на базе последовательного резонансного инвертора // Электротехника, №9, 2021.- с.73-79.4. Vanyaev V.V., Kopelovich E.A. Electromagnetic processes in a charger based on a series resonant inverter // Electrical Engineering, No. 9, 2021.- p.73-79.

Claims (1)

Способ управления зарядным устройством емкостного накопителя энергии с последовательным мостовым резонансным инвертором, имеющим две стойки из двух последовательно соединенных верхнего и нижнего транзисторов с обратными диодами, и выходным трансформатором, к вторичной обмотке которого присоединен выходной выпрямитель, к выходу которого подключен емкостный накопитель энергии, согласно которому в режиме его зарядки основные импульсы управления длительностью, равной длительности полупериода собственных колебаний силового резонансного контура инвертора, одновременно подают на управляющие электроды транзисторов одной диагональной пары стоек моста, затем через тактовый полупериод на управляющие электроды транзисторов другой диагональной пары, а в режиме стабилизации напряжения емкостного накопителя энергии на транзисторы инвертора подают дополнительные импульсы управления с длительностью, равной длительности основных импульсов, отличающийся тем, что во всех режимах работы зарядного устройства на нечетных тактовых периодах дополнительный импульс управления подают на верхний транзистор каждой стойки, который отстает от основного импульса, подаваемого на верхний транзистор другой стойки, а на четных тактовых периодах дополнительный импульс управления подают на нижний транзистор каждой стойки, который отстает от основного импульса, подаваемого на нижний транзистор другой стойки, причем длительность отставания равна сумме длительностей полупериода собственных колебаний резонансного силового контура и полупериода собственных колебаний резонансного контура, образованного индуктивностью силового контура и емкостью вторичной обмотки высоковольтного трансформатора, приведенной к его первичной обмотке.A method for controlling a charger of a capacitive energy storage device with a series bridge resonant inverter having two racks of two series-connected upper and lower transistors with freewheeling diodes, and an output transformer, to the secondary winding of which an output rectifier is connected, to the output of which a capacitive energy storage device is connected, according to which in the charging mode, the main control pulses with a duration equal to the duration of the half-cycle of natural oscillations of the power resonant circuit of the inverter are simultaneously fed to the control electrodes of the transistors of one diagonal pair of bridge racks, then through a clock half-cycle to the control electrodes of the transistors of another diagonal pair, and in the voltage stabilization mode of the capacitive storage energy, the inverter transistors are supplied with additional control pulses with a duration equal to the duration of the main pulses, characterized in that in all modes of operation of the chargers and on odd clock periods, an additional control pulse is applied to the upper transistor of each rack, which lags behind the main pulse applied to the upper transistor of another rack, and on even clock periods, an additional control pulse is applied to the lower transistor of each rack, which lags behind the main pulse supplied to the lower transistor of another rack, and the duration of the lag is equal to the sum of the durations of the half-cycle of natural oscillations of the resonant power circuit and the half-cycle of natural oscillations of the resonant circuit, formed by the inductance of the power circuit and the capacitance of the secondary winding of the high-voltage transformer, reduced to its primary winding.
RU2022105444A 2022-03-01 Method for controlling a charger of a capacitive energy storage device with a series bridge resonant inverter RU2779631C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2779631C1 true RU2779631C1 (en) 2022-09-12

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5867379A (en) * 1995-01-12 1999-02-02 University Of Colorado Non-linear carrier controllers for high power factor rectification
JP2001037244A (en) * 1999-07-26 2001-02-09 Mitsubishi Electric Corp Power converter
RU2289195C1 (en) * 2005-06-14 2006-12-10 Павел Геннадьевич Бабенко Method for controlling resonance-tuned inverter with antiparallel diodes
RU2396689C2 (en) * 2005-11-24 2010-08-10 Бомбардир Транспортацион Гмбх Control method of operation of power converter
RU2614025C1 (en) * 2014-01-21 2017-03-22 Мицубиси Электрик Корпорейшн Semiconductor power conversion device

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5867379A (en) * 1995-01-12 1999-02-02 University Of Colorado Non-linear carrier controllers for high power factor rectification
JP2001037244A (en) * 1999-07-26 2001-02-09 Mitsubishi Electric Corp Power converter
RU2289195C1 (en) * 2005-06-14 2006-12-10 Павел Геннадьевич Бабенко Method for controlling resonance-tuned inverter with antiparallel diodes
RU2396689C2 (en) * 2005-11-24 2010-08-10 Бомбардир Транспортацион Гмбх Control method of operation of power converter
RU2614025C1 (en) * 2014-01-21 2017-03-22 Мицубиси Электрик Корпорейшн Semiconductor power conversion device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhou et al. Tapped inductor quasi-Z-source inverter
RU172182U1 (en) Switching voltage converter
Niapour et al. Extremely sparse parallel AC-link universal power converters
RU2335841C1 (en) High-voltage dc voltage converter with filter-compensating circuit and method of controlling its output power
US20120091979A1 (en) High gain dc transformer
RU2779631C1 (en) Method for controlling a charger of a capacitive energy storage device with a series bridge resonant inverter
Khodabandeh et al. A highly reliable single-phase AC to three-phase AC converter with a small link capacitor
CN208452809U (en) Electric car power supply device
RU2601437C1 (en) Charging device of capacitive energy storage
RU174024U1 (en) Push-pull transformer pulse converter
CN104377962A (en) Direct-current and high-voltage power supply of flocking machine
RU190083U1 (en) DC Pulse Frequency Converter
Aparna et al. Series parallel resonant converter for Electrical Dischage Machining power supply
CN204231199U (en) A kind of DC high-voltage power supply of flocking machine
Zotov et al. Optimum Choice of Reactive Elements Parameters for Step-up DC Voltage Capacitor Converter
RU2453030C1 (en) Transformerless power supply
RU94780U1 (en) THREE-PHASE ACTIVE RECTIFIER WITH SOFT SWITCHING
RU2510871C1 (en) Method for dc voltage pulse conversion and device for its implementation
Kumari et al. Design and Validation of High Gain Z-Source Fed LCL-T Resonant Charger for Constant Current Application
RU61964U1 (en) AUTONOMOUS AGREED RESONANCE INVERTER
Sabour et al. A Novel Quasi-Resonant Switched-Capacitor High Step-Up Multilevel Inverter with Self-Voltage Balancing
Zou et al. Recent developments on high-power switched-capacitor converters
CN216122248U (en) High-voltage repetition frequency pulse power supply adopting novel charging topology
RU2643165C2 (en) Electronic transformer
RU68813U1 (en) AUTONOMOUS AGREED INVERTER WITH RESONANT COMMUTATION