устройство для зарядки емкостного накопителя

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАРЯДКИ ЕМКОСТНОГО НАКОПИТЕЛЯ, содержащее N преобразователей напряжения, подключенных к первичному источнику питания, N трансформаторов, каждый из которых имеет две первичные и вторичные обмотки, которые через N выпрямителей последовательно соединены между собой и емкостным накопителем, отличающееся тем, что, с целью повышения КПД устройства, первичные обмотки пары трансформаторов с четными и нечетными номерами соединены параллельно и подключены к соответствующим инверторам, при этом параметры инверторов выбираются из соотношения

f₁ = f₂;

Q₁ > Q₂,

где f₁ - частота переключения нечетных инверторов;

f₂ - частота переключения четных инверторов;

Q₁ - скважность импульсов нечетных инверторов;

Q₂ - скважность импульсов четных инверторов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, в частности к силовой электронной технике, и может быть использовано в радиолокации, системах лазерной связи, сетевой сигнализации и других областях техники.

Известно устройство зарядки емкостного накопителя [1] с резистивным токоограничивающим элементом. Недостатком такого устройства является низкий КПД (< 50%), поэтому применение этого устройства ограничено лишь маломощными зарядными устройствами.

Известно также устройство зарядки емкостного накопителя [2] с использованием индуктивно-емкостных преобразователей. Данное устройство связано с использованием явления резонанса и является недостаточно гибким для того, чтобы приблизить зарядный процесс к оптимальному, в нем отсутствует возможность реагировать на изменение внешних факторов, влияющих на зарядный процесс, таких, как напряжение первичного источника питания, начальное и конечное значения напряжения на накопителе. Это приводит к тому, что величина зарядного тока изменяется в широких пределах и относительно высокий КПД для данного устройства может быть получен только в узком диапазоне изменения перечисленных параметров.

Известно также устройство зарядки емкостного накопителя с непрерывным регулированием тока зарядки с помощью магнитного усилителя. Применение управляемых магнитных элементов приводит к росту массогабаритных показателей и снижению быстродействия системы управления.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство, содержащее N преобразователей напряжения, подключенных к первичному источнику питания, N трансформаторов, каждый из которых имеет две первичные и вторичные обмотки, которые через N выпрямителей последовательно соединены между собой, емкостным накопителем и токоограничительным элементом. Недостатком этого устройства являются большие потери на токоограничительном элементе, так как ток, проходящий через токоограничитель, равен току зарядки, а напряжение на нем изменяется от напряжения одного выпрямителя до нуля.

Целью изобретения является повышение КПД.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве зарядки емкостного накопителя, содержащем N преобразователей напряжения, подключенных к первичному источнику питания, N трансформаторов, каждый из которых имеет две первичные и вторичные обмотки, которые через N выпрямителей последовательно соединены между собой и емкостным накопителем, первичные обмотки пары трансформаторов с четными и нечетными номерами соединены параллельно и соединены к соответствующим инверторам, при этом параметры инверторов выбираются из соотношения f₁=f₂ и Q₁>Q₂, где f₁ - частота переключения нечетных инверторов; f₂ - частота переключения четных инверторов; Q₁ - скважность импульсов нечетных инверторов; Q - скважность импульсов четных инверторов.

Применение предлагаемого устройства приводит к повышению КПД, так как исключается токоограничительное устройство, выполненное на полупроводниковом приборе, имеющее большое тепловыделение.

В известных устройствах зарядки емкостного накопителя отсутствует предложенная совокупность признаков, позволяющая ограничивать зарядный ток в процессе трансформации за счет изменения индуктивности рассеяния трансформаторов, в течение промежутка времени каждого полупериода переменного напряжения в момент нарастания зарядного тока до заданного значения. Таким образом, предлагаемое устройство удовлетворяет критерию "существенные отличия".

На фиг.1 изображена временная диаграмма процессов, где линии А и Б представляют напряжения, поступающие от инверторов с четными и нечетными номерами соответственно; Т/2 - длительность полупериода; t_р - длительность импульсов, поступающих от инверторов с нечетными номерами; линии С и D представляют токи в первичных обмотках трансформаторов, подключенных к инверторам с четными и нечетными номерами соответственно; линия Е соответствует зарядному току накопителя Iс; на фиг. 2 приведена электрическая схема, предлагаемого устройства.

Она включает N инверторов с четными (И1.2, И1.4 и т.д. до ИнN) и нечетными (И1.1, И1.3 и т.д. до И1.N-1)) номерами, N трансформаторов (2.1, 2.2.. . 2. N), каждый из которых содержит две первичные обмотки (3.1, 4.1, 3.2, 4.2; 3. N-1, 3,N, 4N-1, 4.N) и две вторичные обмотки (5.1, 6.1, 5.2, 6,2, 5.3, 6. 3, 5. N-1,6.N-1, 5.N, 6.N, N выпрямителей (7.1 - 7.N). Каждый из инверторов с четными номерами подключают к одной первичной обмотке одного из четных и одного из нечетных трансформаторов. Так инвертор 1.2 подключен к обмоткам 3.2 и 4.1, инвертор 1.4 подключен к обмоткам 3.4 и 4.3;...; 1.N подключен к 3.N и 4.N-1) а каждый из инверторов с нечетными номерами подключен к другим первичным обмоткам упомянутых трансформаторов (так инвертор 1.1 подключен к обмоткам 4.2 и 3.1; инвертор 1.3 подключен к обмоткам 4.4 и 3.3...; инвертор 1.N-1 подключен к обмоткам 4.N и 3.N-1). Вторичные обмотки каждого из трансформаторов соединены последовательно и подключены к выпрямителям (7.1. . . 7.N), так обмотки 5.1, 6.1 подключены к выпрямителю 7.1, обмотки 5.2, 6.2 - к выпрямителю 7.2...,а обмотки 5.N, 6.N - к выпрямителю 7. N. Все выпрямители соединены последовательно и подключены к емкостному накопителю С.

На фиг.3 показана одна из возможных конструкций трансформаторов 2.1... 2. N устройства, приведенного на фиг.2. На фиг.3 приняты обозначения: 8 - сердечник трансформатора, 9 и 10 - первичные обмотки трансформатора, 11 и 12 - вторичные обмотки трансформатора. (Обмотки 9 и 10 соответствуют обмоткам 3.1-3N и 4.1-4.N, а обмотки 11 и 12 соответствуют обмоткам 5.1-5.N и 6.1-6.N на фиг.2).

Сущность предлагаемого устройства поясняется с помощью временной диаграммы фиг.1, которая представляет собой результат моделирования процесса зарядки для одной пары инверторов с помощью пакета PSPICE.

На интервалах времени t₁...t₂ каждого полупериода напряжение от всех N инверторов поступает на трансформаторы, трансформируется, выпрямляется, суммируется и поступает на емкостной накопитель. Зарядный ток Iс и ток в обмотках трансформаторов нарастает пропорционально индуктивности рассеяния трансформаторов - LS1. В моменты времени t=t2, когда зарядный ток Ic нарастает до заданного заранее значения Ic1, индуктивность рассеяния трансформаторов увеличивается до величины Ls2, вследствие этого на интервалах времени t2...t3 форма зарядного тока Iс изменяется. Схема предлагаемого устройства, приведена на фиг.2. В этом устройстве индуктивность рассеяния трансформаторов увеличивается от величины Ls1 до величины Ls2 (в моменты времени t=t2), когда прекращается подача напряжения, поступающего от инверторов с нечетными номерами, при этом ток в обмотках, подключенных к этим инверторам, спадает до нуля, а ток в обмотках, подключенных к инверторам с четными номерами, уменьшает скорость нарастания пропорционально увеличению индуктивности рассеяния. Для пояснения рассмотрим конструкцию трансформаторов устройства (фиг. 3). В каждом трансформаторе вторичная обмотка 11 имеет хорошую магнитную связь с первичной обмоткой 9, а вторичная обмотка 12 имеет хорошую магнитную связь с первичной обмоткой 10, как обмотки, находящиеся на общих стержнях сердечника. Магнитная связь обмоток 9 и 12, а также обмоток 10 и 11 значительно хуже. Если вторичные обмотки 11 и 12 соединены последовательно, а первичные обмотки соединены параллельно и подключены к инвертору (генератору переменного напряжения), то передаче энергии от инвертора к вторичным обмоткам препятствует индуктивность рассеяния трансформатора - Ls1. Величина Ls1 сохраняет свое значение, когда первичные обмотки подключаются к отдельным инверторам, вырабатывающим одинаковое напряжение. Когда же переменное напряжение подводится только к одной первичной обмотке 9 или 10, то индуктивность рассеяния Ls2, ограничивающая передачу энергии от инвертора к вторичным обмоткам, становится значительно больше, так как каждая из первичных обмоток имеет хорошую магнитную связь только с одной из вторичных обмоток, соединенных последовательно. В реальных трансформаторах Ls2 больше Ls1 в 4...12 раз в зависимости от геометрических размеров обмоток, их взаимного расположения и числа витков в первичной обмотке. Таким образом, индуктивность рассеяния трансформатора (фиг.3), имеющего две первичные обмотки, подключенные к отдельным инверторам, зависит от того, как поступает переменное напряжение от инверторов - от двух одновременно либо от одного.

Предлагаемое устройство зарядки емкостного накопителя позволяет потреблять от первичного источника с напряжением Еи и передавать в емкостной накопитель ток заданной амплитуды, независимо от начального Исн и конечного Иск уровней напряжений на накопителе, а также независимо от колебаний напряжения Еи, при этом на ширину диапазона Исн... Иск влияет степень изменения индуктивности рассеяния трансформаторов Ls2/Ls1.

Применение предлагаемого устройства по сравнению с прототипом исключает необходимость использования дополнительных токоограничительных устройств, построенных на полупроводниковых элементах, имеющих большие тепловыделения и снижающие КПД.

Экспериментальная проверка реализуемости и эффективности предлагаемого устройства проведена.

Использование предлагаемого устройства обеспечивает по сравнению с существующими следующее преимущество:

увеличивается КПД за счет уменьшения тепловыделения в токоограничительных элементах.

Указанное преимущество особенно заметно проявляется в автономных устройствах с длительным сроком работы и малым потреблением.