SU738117A1 - Устройство дл зар да накопительных конденсаторов - Google Patents

Description

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАРЯДА НАКОПИТЕЛЬНЫХ ,КОНДЕНСАТОРОВ

1

Устройство предназначено дл  зар да накопительных конденсаторов генераторов мощных импульсов, например, оптических квантовьпх генераторов, в локационной технике, импульсных плазменньк двигателей , в электрической сварке металлов .и т.п.

Известны устройства дл  зар да.накопительньк конденсаторов fl.

Недостатки известного устройства заключаютс  в низком КПД зар да накопительных конденсаторов, в том, что в схеме зар да не предусмотрена стабилизаци  уровн  энергии, запасаемой в накопител х, несмотр  на наличие в ней системы стабилизации напр жени , так как учет раз броса величин емкостей конденсаторов схемй rie предусматривает, а также в том, что зар дна  схема оказывает пр мое вли ние на разр дную цепь импульсной нагрузки , так как источник не изопировай от разр дной цепи.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому  вл етс  устройство

дл  зар да накопительных конденсаторов, содержащее источник пё)ремённЬ№ тока, токс огранйЧ1ша ощий линейный дроссель, вен тильнб-кЬнйёнсаторньГй вьт)р митёль-умножитель напр жени , подключенный к импульсной нагрузке, управл емые вентили и блок контрол  напр жени  и управлени  управл емыми вентил ми 2j.

Недостатки этого устройства заключаютс  в том, что зар д накопительного конденсатора произш)дйтс  за большое. число периодов напр жени  источника переменного .тока, что требует установки в схеме дополнительного накопительного ко денсатора , а зар дйа  схема, даже при использовании дроссел , йгожет убблйчить напр жение на нагрузке только в четыре раза по 6тнШ1ёнйй 1к амплитуде напр жени  источника. Все это не обеспечивает известному устройству требуемые удель .|ые энергетические показатели.

Цель изобретени  - повышение удель- ttjx энергетических показателей устройства 373 Поставленна  цель достигаётс  тем, что в устройстве дл  зар да накопительного конденсатора, содержащем источник переменного тока, токоогранйчивающий линейный дроссель, вентильно-конденсаторный выпр митель-умножитель напр жени , подключенный к импульсной нагрузке, управл емые вентили и блок контрол  напр ч жёни  и управлени  управл емытЛи вейтил ми вентилйно-конденсаторный выпр мительумножитель напр жени  выполнен в виде че- тырёх соединенных параллельно  чеек, кажда из которых образована двум  включенными согласно вентил ми, соединенными друг с другом через конденсатор, аноды управл емых вентилей первой и второй  чеек ;и катоды неуправл емого вентил  третьей и управл емого вентил  четвертой  чеек через токоогранйчивающий линейнь1й дроссель подключены к одной клемме, а катоды неуправл емого вентил  первой, управл емого вентил  BTopo i и анодов управл емых вентилей третьей и четвертой  чеек ко второй клемме источника переменного тока, при этом катод управл емого вентил  первой  чейки соединен с анодом управл емого вентил  второй  чейки, соединенного с конденсатором, катод управл емого вентил  третьей  чейки соединен с анодом управл емого вентил  четвертой  чейки, соединенного с конденсатором, и катод управл емого вентил  второй  чейки соединён с анодом дополнительного управл емого вентил , катод которого сое динён с анодом неуправл емого вентил  третьей  чейки, в свою очерель точка сое динени  катода управл емого вентил  и конденсатора в четвертой  чейке подклк чена к положительной клемме а анод неуправл емого вентил  первой  чейки соединен с отрицательной клеммой генератора мощных импульсов, причем управл ю щие входы управл емьк вентилей подключены к выходу  чейки временного сдвига импульсов;вьп1олнённои, напршёр, iaa Кол цевом счетчике и дешифраторе.. Кроме того, в устройстве параллельно каждому из конденсаторов вентильнр-конденсаторньк  чеек включены цепочки из соединенных последовательно дополнительно введенных управл емого вентил  и дро сел , причем аноды -дополнительно введенньгх управл емых вентилей подключены к катодам управл емых вентилей в первой и второй вентильно-конденсаторной  чейках нелосредствевдо, в третьей и четвертой через дополнительно введенный дроссель, а параллельно токоограничивающему лйней 7 дросселю включен дополнительно введенный ключевой ограничитель амплитуды, вь1подненный в виде двух соединенных встречно-параллельно управл емых вентилей , при этом управл ющие входы дополнительно введенных управл емых вентилей подключены к выходу  чейки временного сдвига импульсов. На фиг. 1 приведена схема устройства дл  зар да накопительных конденсаторов} на фиг. 2 - то же, предназначенное дл  приведени  схема зар да емкостей к нулевым начальным услови м к началу каждого зар дного цикла и стабилизации уро&н  запасенной энергии в конденсаторах в конце этих циклов. Устройство содержит источник 1 переменного TOKai подключенный через токоог раничивающий линейный дроссель 2 параллельно к четырем  чейкам. Перва   чейка состоит из управл емого вентил  3, кончденсатора 4, неуправл емого вентил  5, управл емого вентил  6, конденсатора 7| и управл емого венти.т1  8, Вентильные элементы этих двух  чеек включены в пр мом направлении. Треть  и четверта   чейки конденсаторов включают в себ  .вентильные элементы, включенные в обратном направлении и состо т соответственно из неуправл емого вентил  9, конденсатора 1О, управл емых вентилей 11 и 12, конденсатора 13, управл емого вентил  14. Катод управл емого вентил  3 первой  чейки соединен с анодом управл емого вентил  8 второй  чейки, а катод управл емого вентил  6 этой же  чейки через управл емый вентиль 15 соединен с анодом неуправл емого вентил  9 третьей  чейки. В свою очередь, катод управл емого вентил  11 третьей  чейки подключен к аноду управл емого вентил  12. Импульсна  нагрузка 16 положительной клеммой подсоединена к катоду упраЕ л емогр вентил  14, а отрицательной - к аноду неуправл емого вентил  5. Блок 17 контрол  напр жени  накопительных конденсаторов подключен к генератору 18 тактовых импульсов, который подает импульсы к устройству 19 временного сдвига импульсов, выполненного на кольцевом счетчике 2О .и дешифрато)рё 21. В качестве управл емых вентилей в устройстве (фиг. 1) применены тиристоры, а в качестве неуправл емых - диоды. Устройство дл  зар да накопительных конденсаторов работает следующим образом . Предположим, что в какой-то момент времени от источника 1 переменного тока подаетс  положительна  волна напр жени , а от дешифратора 21 поступает управл - юший импульс на открытие тиристора 3. Тогда от источника переменного тока-через токоограничиваюишй линейный дрос- сель 2, Епвдуктивность которого настроена в резонанс с накопительными конденсаторами на частоте источника, течет ток в конденсатор 4. Происходит резонансный зар д конденсатора 4. Во врем  зар да зар дный ток измен етс  по синусоидальному закону, а напр жение на накопите ном конденсаторе достигает удвоенного амплитудного значени  напр жени  источника переменного тока. Когда ток зар да накопительного конденсатора становитс  равным нулю, тиристор 3 гаснет. При по влении отрицательной волны напр жени  источника дешифратор подает управл ющие импульсы на тиристор 11, который открываетс , обеспечива  тем самым резонансный зар д конденсатора 10 от той же индуктивности дроссел  ..2, Тиристор 11 закрываетс  так же, как и в первом случае, при достижении зна ени  зар дного тока конденсатора 11 нулевого значени , Во втором периоде изменени  напр же- ни  источника переменного тока, при по &лении положительной волны напр жени , дешифратор подает управл ющие импульсы на тиристоры 6 и 8 дл  зар да конденсатора 7, а при по влении отрицательной вол ны напр жени  - на тиристоры 12 w. 14 дл  зар да конденсатора 13. Таким образом, за .два периода напр жени , источника переменного тока все че тьфе конденсатора зар жаютс  до двойного амплитудного значени  напр жени  источника . При подаче управл ющего импульса к тиристору 15 {или разр днику) все четыре конденсатора оказываютс  включён ными последовательно по отношению к им- пульсной нагрузке 16, к которой прикладываетс  восьмикратное амйлитудное значение напр жени  источника переменного тока. Происходит импульсный разр д после довательно соединенных конденсаторов на импульсную нагрузку, и при достижении тока разр да нулевого значени  тиристор 15 гаснет. В схеме зар дного устройства (фиг. 1) тиристоры 3, 6, 11 и 14 служат дл  управлени  цеп ми зар да конденсаторов 4, 7, 10 и 13, Кроме того, тиристор 8 пре- доХран ет источник от короткого замыка- 73 7 ни  при открытом тиристоре 3, а тиристор 12 - при открытом тиристоре 11. Предлагаема  схема зар дного устройства следующие преимущества по сравнению с известным 2j: высокий КПД зар да конденсаторов, так, например, при добротности дроссел  , КПД зар да. |зввен ,93; источник переменного тока не оказьюает вли ни  на врем  деионнаации импульсной нагрузки, так как после зар да всех ч:етырех накопительных конденсаторов их разр дна  цепь полностью изолирована от источника; уровень запасаемой энергии в накопительных конденсаторах при их ШрМепредйе гйёмым iS -cipdfiством ограничиваетс  только возможност ми промь1шланностй при изготовлении от- . дельных йлемё нт61 схём1й; зар дное Устройство накопительных конденсаторов обеспечивает многократное повышение напр жени  питани  импульсной нагрузки при за- данном значении, номинального напр жени  источника переменного тока, Теоретичеоки можно собрать любое четное число денсаторных  чеек N, емкости которых аа р жаютб  до двойного амплитудного значв ни  напрйжени  источников. Тогда сумма г ное налр жение последовательно соединев ных конденсаторов SIU равно 2-/Гыи EU,.2 где и - действующее значение напр жени  источника переменного тока. При этом частота разр да конденсаторов на импульсную нагрузку равна : частота источника переменно- го тока. . Важно также отметить, что при любом выбранном числе конденсаторных  чеек N, разр дна  цепь конденсаторов упраЬл еэ с  лишь одним управл емым ведтилем (тиристором или разр дником). Кроме того, с целью обеспечени  стабилизации уровн  энергии в нагрузке в каждом разр дном цикле устройство дл  зар да снабжено дополнительными тиристорами и индуктивностью, привод щими схему к нулевым начальным услови м перед каждым циклом резонансного зар да накопительных конденсаторов и стабилизирующими уровень запасаемой энергии в них при каждом разр дном цикле. Зар дное устройство накопительных кондейсаторов (фиг. 1) обеспечивает питание , 77 импульсной нагрузки, если последн   не предъ вл ет повышенных требований к стабильности запасаемой энергии в емкост х в каждом зар дном цикле. Как известно, количество запасенной энергии в конденсаторах при резонансной ихзар дке в существенной мере зависит от величины напр жени  источника переменного тока, от отклонени  частоты источника от резонансной и от правильного подбора емкостей конденсаторов в  чейкАх . Если вли ние отклонени  напр жени  и частоты источника от заданного значени  на величину запасаемой энергии в кон денсаторах очевидно, то вли ние выбора емкости конденсаторов каждой  чейки требует по снени . Зар дное устройство должно иметь одинаковую емкость в конденсаторах всех  чеек. Но на практике не возможно выбрат несколько конденсаторов, имеющих совершенно одинаковую емкость. Предположим, что одкн из накопительных конденсаторов имей- несколько большую емкость, чем остальные. Тогда энерги , запасенна  в нем, становитс  несколько больше, чем в остальных. При разр де последовательно соединенных конденсаторов на импульсную нагрузку ток разр да, проход щий по .конденсаторам , одинаков, а это значит, что конденсатор, имеющий большую емкость, разр дитс  позднее, чем остальные. Ес в считать, что емкости остальных трех 1г6нйенсатбр6 одинаковы, то при разр де конденсаторов на импульсную нагрузку Ha стйкет момент времени, когда напр жение на них станет равным нулю (конденсаторы полностью отдали свою энергию в : нагрузку), а напр жение на конденсаторе, имеющем большую емкость, отлично от нул  и имеет пол рность, полученную при его зар де. Этот конденсатор продолжает отдавать свою энергию в нагрузку, при этом перезар жа  остальные три конденсатора. Ток зар51да конденсаторов становитс  равным нулю (тиристор 15 запираетс ) лишь тог да, когда напр жение на конденсаторе, имеющем большую емкость, равно сумме напр жений трех последовательно соединенных конденсаторов, имеющих обратную пол рность. Таким образом, после зар да конденса торов на нагрузку один нз них сохран ет остаточный зар д одного знака, а три дру . гих имеют остаточный зар д другого знак При следующем зар дном цикле резонансный зар д ковденсаторов начинаетс  не 178 при нулевых начальных услови х, а следовательно , уровень запасенной энергии в них отличаетс  от уровн  предшествующего зар дного цикла. При некоторых услови х наблюдаетс  тенденци  к увеличению разброса уровней запасаемой конденсаторами в различных зар дных циклах. Рассмотренные процессы значительно усложн ютс , если предположить, что все четыре конденсатора имеют неодинаковые емкости. Устройство дл  зар да накопительных конденсаторов, представленное на фиг. 2, предназначено дл  приведени  схемы зар да емкостей к нулевым начальным услови м к началу каждого зар дного цикла и стабилизации уровн  запасенной энергий в конденсаторах в конце этих циклов. Источник 1 переменного тока через линейный дроссель 2 резонансным методом зар жает конденсаторы четырех  чеек. Вентили и конденсаторы 3-15 всех  чеек собраны по схеме, изображенной на фиг. 1. Импульсна  нагрузка 16 подключена к выходным клеммам четырех последовательно соединенных конденсаторов. Блоки контрол  .напр жени  и управлени  тиристорами вьшолн ют не только функции по управлению тиристорами 3, 6, 8, 11, 12, 14 и 15, но и.дополнительные, описанные выше. Параллельно конденсаторам всех  чеек подключены цепочки, состо щие из управл емых вентилей 22-25 и дросселей 26-29. К выходным клеммам линейного дроссел  3 подключены два управл емых вентил  31 и 32. Напр жение, снимаемое со всех конденсаторов, подводитс  к блоку 17 контрол  напр жени , который подключен к генератору 18 тактовых импульсов , последний, в свою очередь, подает импульсы к устройству 19 временного сдвига, выполненного на кольцевом счетчике 20 и дешифраторе 21. Схема (фиг. 2) обеспечивает работу устройства дл  зар да в двух режимах. Первый режим работы схемы служит дл  приведени  к нулевым начальным ус-лови м перед зар дным циклом конденсаторов . После отпирани  тиристора 15 конденсаторы разр жаютс  н импульсную на-J. грузку. Так как емкости конденсаторов неодинаковы, то их разр д прекращаетс , когда сумма всех напр жений конденсаторов становитс  равной нулю. Таким образом , каждый конденсатор имеет остаточное напр жение, в общем случае, произ9 . 7 вольного знака. Дл  уничтожени  остаточного зар да конденсаторов и -приведени  резонансной схемы зар да к нулевым начальным услови м в качестве управл емых вентилей 22-25 необходимо использовать .симисторы, сигналы на открытие которых в обоих направлени х подаютс  сразу же после запирани  тиристора 15. Происходит разр д конденсаторов через коротксизамкнутую цепь тиристор - индуктивность, Дроссели 26-29 представл ют Собой один или несколько витков провода. Следует отметить, что остаточные значени  емкости в конденсаторах после их разр да на нагрузки очень невелики, поэтому и энерги , рассеиваема  токрподвод шими проводами , активным сопротивлением индуктивности и тиристорами, также невелика. При работе схемы в первом режиме тиристоры 31 и 32 не используютс . Второй режим работы схемы п едусмат ривает стабилизацию уровней энергии, накапливаемой конденсаторами, в каждом цикле. При этом, блок контрол  напраже .ни  конденсаторов следит за уровнем, напр жени  на конденсаторах при их разр де на импульсную нагрузку. Как только напр жение на одном из конденсаторов стайовитс  равнь1м нулю, от блока дешифра тора 21 поступают сигналы управлени  на тиристоры 22-25, тиристоры отпираютс  и остаточные зар ды всех остальных трех конденсаторов рассеиваютс  в короткозам- кнутой цепи. В этом режиме работы в качестве управл -емых 22-25 можно использовать тиристоры, так как схема не допус кает перезар да конденсаторов. Дл  стабилизации уровн  энергии, запаса емой конденсаторами при их зар де, который зависит не только от величины емкости, но и от колебаний напр жени  и частоты , источника относительно номинальной , в схему введен ключевой ограничитель 30 амплитуды, вьтолненный в виде двух соединенньгх встречно-параллельно тиристоров 31 и 32, при этом управл ющие входы тиристоров подключены к выходу  чейки временного сдвига импульсов. Схема стабилизации энергии, запасаемой конденсаторами, работает следующим образом. Предварительно выбираетс  минимально возможное напр жение зар да конденсатора . Другими словами, при любьЬс допустимых колебани х напр жени  и частоты источника при резонансном зар де конденсатора схема обеспечивает его зар д до минимально возможного напр жени . Блок контрол  напр жени  конденсаторов следу17 ет за -уровнем напр жени  конденсатора при его зар де. Как только оно достигает минимально допустимого значени , подает с  упра,вл ющий импульс на тиристор 31, который отпираетс  и шунтирует дроссель. . При этом нарушаютс  услови  резонансного зар да конденсатора и его зар д прекращаетс , так как напр жение источника знач№тельно меньше напр жени  на конденсаторе. Если производитс  зар д конденсаторов 10 и 13, которые зар жаютс  при прохождении отрицательной волны напр жени , то дл  стабилизации уровн  напр жени  зар да конденсаторов 10 и 13 необходимо иопользовать тиристор 32, шунтирующий дроссель 2 в обратном направлении. Полна  энерги , записанна  в четырех конденсаторах, будет равна учетверенному значению энергии одноГо конденсАтора, который зар жаетс  резонансным путем рт источника переменного тока, при мак- римальном допустимом отрицательном отклонении по напр жению и частоте относительно номинальных значений. При этом естественно, энерги , снимаема j- со всех конденсаторов несколько уменьшаетс , но, если учесть, что возможные колебани  напр жени  частоты и величины емкости конденсаторов составл ют 1-2%, то общие потери энергии невелики. Формула и.3 обре тени  1. Устройство дл  зар да накопительных конденсаторов, содержащее источник переменного тока, токоограничивающий линейный дроссель, вентильно-конденсаторный вьшр митель-умножитель напр жени , подключенный к импульсной нагрузке, уп- равл емые вентили и блок контрол  напр жени  и управлени  управл емыми венти- . 11ЯМИ, отличающеес  тем, что, р целью повышени  удельных энергетичес- показателей, вентильно-конденсаторных вьшр митель-умножитель напр жени  выполнен в виде четырех соединенных параллельно  чеек, кажда из которых образована двум  включенными согласно вентил ми , соединенными друг с другом через онденсатор, аноды управл емых вентилей Первой и второй  чеек и катоды неупра&л емого вентил  третьей и управл емого вентил  четвертой  чеек через токоогра- ничивающий линейный дроссель подключены к одной клемме, а катоды неуправл емого вентил  первой, управл емого вентил  второй и анодов управл емых вентилей третьей и четвертой  чеек - ко второй клемме источника переменного тока, при этом катод управл емого вентил  первой 51чейки соединен с анодом управл емого вентил  второй  чейки, соединенного с конденсатором, катод управл емого вентил  третьей  чейки соединен с анодом управл емого вентил  четвертой  чейки, со диненного с конденсатором, и катод управ л емогх) вентил  второй  чейки соединен с анодом дополнительного управл емого вентил  катод которого соединен с анодом неуправл емого вентил  третьей  чейки , в свою очередь точка соединени  катода управл емого вентил  и койденсатора в четвертой  чейке подключена к положительной клемме, а анод неуправл емого вентил  первой  чейки соединен с отрицательной клеммой генератора мощны импульсов, причем управл ющие входы управл емьк вентилей подклоочёгам к выходу  чейки временного,сдвига импульсов, выполненнЬй,например, на кольцевом счет деши4 аторе. 2. Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е е с   тем, что, с целью стабилизации уровн  энергии в нагрузке, парал73 7 ле ьно каждому из конденсаторов вентильно-конденсаторных  чеек включены цепочки из соединенных последовательно дополни-тельно введенных управл емого вентил  и дроссел , причем аноды дополнительно . введенньгх управл емых вентилей подклк чены к катодам управл емых вентилей в первой и второй вентильно-конденсаторной  чейках непосредственно, в третьей и четвертой - через дополнительно введенный дроссель, а параллельно токоограничива щему линейному дросселю включен дополнительно введенный ключевой ограничитель амплитуды, выполненный в виде двух соединенных встречно-параллельно управл емых вентилей, при этом управл ющие входы дополнительно введенных управл емых вентилей подключены к выходу  чейки временного сдвига импут сов, ч Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1.Патент, США № 3461849, кл. 321-15, 1969. 2.Авторское свидетельство СССР № 362435, кл. Н 03 К 3/57, 1973 (прототип).

.

ts

Claims (2)

1. Формула из обретения

   1. Устройство для заряда накопительных конденсаторов, содержащее источник переменного тока, токоограничивающий линейный дроссель, вентильно-конденсаторный выпрямитель-умножитель напряжения, подключенный к импульсной нагрузке, управляемые вентили и блок контроля напряжения и управления управляемыми вентидями, отличающееся тем, что, • р целью повышения удельных энергетических показателей, вентильно-конденсаторных выпрямитель-умножитель напряжения выполнен в виде четырех соединенных параллельно ячеек, каждая из которых образована двумя включенными согласно вентилями, соединенными друг с другом через конденсатор, аноды управляемых вентилей Первой и второй ячеек и катоды неуправляемого вентиля третьей й управляемого вентиля четвертой ячеек через токоограничивающий линейный дроссель подключены к одной клемме, а катоды неуправляемого вентиля первой, управляемого вентиля второй и анодов управляемых вентилей

   11 738117 12 третьей и четвертой ячеек - ко второй клемме источника переменного тока» при этом катод управляемого вентиля первой ячейки соединен с анодом управляемого вентиля второй ячейки, соединенного с ₅ конденсатором, катод управляемого вентиля третьей ячейки соединен с анодом управляемого вентиля четвертой ячейки, соединенного с конденсатором, и катод управ· ляемого вентиля второй ячейки соединен ю с анодом дополнительного управляемого вентиля; катод которого соединен с анодом неуправляемого вентиля третьей ячейки, в свою очередь точка соединения катода управляемого вентиля и конденсато- .15 ра в четвертой ячейке подключена к положительной клемме, а анод неуправляемого вентиля первой ячейки соединен с отридательной клеммой генератора мощных импульсов, причем управляющие входы уп-20 равляемых вентилей подключены к выходу ячейки временного,сдвига импульсов, выполненной^например, на кольцевом счет· чике и дешифраторе.
2. 2. Устройство по π. 1, о т л и ч а - 25 ю щ е е с я тем, что, с целью стабилизации уровня энергии в нагрузке, парал лельно каждому из конденсаторов вентильно-конденсаторных ячеек включены цепочки из соединенных последовательно дополнительно введенных управляемого вентиля и дросселя, причем аноды дополнительно , введенных управляемых вентилей подключены к катодам управляемых вентилей в первой и второй вентильно-конденсаторной ячейках непосредственно, в третьей и четвертой - через дополнительно введенный дроссель, а параллельно токоограничивающему линейному дросселю включен дополнительно введенный ключевой ограничитель амплитуды, выполненный в виде двух соединенных встречно-параллельно управляемых вентилей, при этом управляющие входы дополнительно введенных управляемых вентилей подключены к выходу ячейки временного сдвига импульсов. _v