устройство для зарядки накопительного конденсатора

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАРЯДКИ НАКОПИТЕЛЬНОГО КОНДЕНСАТОРА, содержащее источник питания, накопительный конденсатор с подключенным к нему первым датчиком напряжения, первый датчик тока, включающий в зарядную цепь накопительного конденсатора первый перемножитель сигналов, входы которого подключены к первому датчику тока и первому датчику напряжения, а выход подключен к входу первого интегратора сигнала, и компаратор сигналов, выход которого подключен к системе управления, отличающееся тем, что, с целью повышения стабильности запасенной накопительным конденсатором энергии и уменьшения наводок в питающую сеть, в устройство введены инвертор напряжения, индуктивно-емкостный преобразователь и выпрямитель, которые соединены последовательно и включены между источником питания и накопительным конденсатором, второй датчик напряжения, подключенный к источнику питания, второй датчик тока, включенный в шину питания инвертора напряжения, выходы второго датчика напряжения и второго датчика тока подключены к входам второго перемножителя сигналов, выход которого подключен к входу второго интегратора сигнала, первый делитель сигналов, к первому входу которого подключен выход первого интегратора сигнала, а к второму - выход второго интегратора сигнала, выход первого делителя сигналов подключен к первому входу второго делителя сигналов, второй вход второго делителя сигналов соединен с шиной напряжения уставки, выход второго делителя сигналов подключен к первому входу компаратора сигналов, на второй вход компаратора сигналов подключен выход второго интегратора сигнала, выход системы управления соединен с входом инвертора напряжения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электронике, а именно к системам накопления энергии, и может быть использовано, например, при создании устройств накачки частотных твердотельных лазеров.

Известно устройство заряда накопительного конденсатора, содержащее понижающий трансформатор напряжения, подключенный к питающей сети, к вторичной обмотке которого через выпрямитель подключен подстроечный резистор. К выходу последнего подключен компаратор, через схему управления коммутирующий зарядный ключ. Недостатком данного устройства является нестабильность напряжения на накопительном конденсаторе более 1% при изменении напряжения сети более, чем на 5%, что обусловлено неточным соответствием закона заряда накопительного конденсатора синусоидальному закону изменения входного напряжения.

Известно также устройство заряда накопительного конденсатора, содержащее зарядный контур, два вспомогательных LC контура, один из которых выполнен с насыщающимся дросселем, три управляемых ключа, схему релейной обратной связи и схему задержки. Недостатками данного устройства являются

нестабильность напряжения на накопительном конденсаторе, обусловленная тем, что момент прекращения заряда выбирается без учета энергии, запасенной в индуктивности монтажа в течение заряда накопительного конденсатора;

низкий КПД устройства, так как осуществляется двукратная передача энергии, запасенной в зарядном дросселе к моменту прекращения заряда;

невозможность достижения высоких частот следования колебательных и переходных процессов во вспомогательных контурах;

худшие массогабаритные показатели устройства, так как вспомогательные контуры должны запасать энергию, соизмеримую с энергией, запасаемой накопительным конденсатором;

жесткая зависимость между величинами емкостей накопительного и шунтирующего конденсаторов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для заряда накопительного конденсатора, содержащее выпрямитель, накопительный конденсатор, коммутирующий элемент и устройство управления коммутирующим элементом, которое содержит датчик зарядного тока, включенного последовательно в зарядную цепь, перемножитель, один вход которого через датчик напряжения подключен к накопительному конденсатору, в другой соединен с датчиком зарядного тока, причем к выходу перемножителя через интегратор подключен компаратор, выход которого подключен к входу устройства управления коммутирующим элементом. Однако данное устройство обладает малой стабильностью напряжения на накопительном конденсаторе, так как перемножитель сигналов, построенный на основе широтно-импульсного модулятора, обладает большой погрешностью при перемножении динамических сигналов, а поскольку в сигналах на входах перемножителя присутствуют компоненты, обусловленные пульсациями напряжения источника питания, то они являются динамическими. Кроме того, малая стабильность напряжения на накопительном конденсаторе обусловлена необходимостью медленного выключения коммутирующего элемента, так как при быстром выключении на его электродах появляется импульс перенапряжения, обусловленный наличием индуктивности проводов зарядного контура и индуктивности выпрямителя. Малая стабильность напряжения на накопительном конденсаторе также обусловлена его зарядом одним импульсом, измеренная величина энергии которого зависит от уровня помех, воздействующих на известное устройство.

Устройство имеет низкий КПД, так как в начальный момент времени зарядный ток накопительного конденсатора ограничен только внутренним сопротивлением питающей сети. Кроме того, отсутствие токоограничивающего элемента в цепи заряда создает в питающей сети мощную трудноустранимую помеху. При запирании тиристора в питающей сети поступает импульсная помеха, обусловленная разрядом запирающего конденсатора.

Целью изобретения является повышение стабильности энергии, запасенной накопительным конденсатором, и уменьшение наводок в питающую сеть.

Это достигается за счет того, что в устройство, содержащее источник питания, накопительный конденсатор с подключенным к нему первым датчиком напряжения, первый датчик тока, включенный в зарядную цепь накопительного конденсатора, первый перемножитель сигналов, входы которого подключены к первому датчику тока и первому датчику напряжения, а выход - к входу первого интегратора сигнала, и компаратор сигналов, выход которого подключен к системе управления, введены последовательно соединенные инвертор напряжения, индуктивно-емкостный преобразователь (или любая другая зарядная цепь) и выпрямитель, которые включены между источником питания и накопительным конденсатором, второй датчик напряжения, подключенный к источнику питания, второй датчик тока, включенный в шину питания инвертора напряжения, причем выходы второго датчика напряжения и второго датчика тока подключены к входам второго перемножителя сигналов, выход которого подключен к входу второго интегратора сигнала, первый делитель сигналов, к первому входу которого подключен выход первого интегратора сигнала, а к второму - выход второго интегратора сигнала. При этом выход первого делителя сигналов подключен к второму входу второго делителя сигналов, первый вход второго делителя сигналов соединен с шиной напряжения уставки, выход второго делителя сигналов подключен к второму входу компаратора сигналов, к первому входу компаратора сигналов подключен выход второго интегратора сигнала. Выход системы управления соединен с входом инвертора напряжения.

На чертеже показана структурная схема устройства.

К источнику 1 питания подключены последовательно соединенные инвертор 2 напряжения, индуктивно-емкостный преобразователь (ИЕП) 3 и выпрямитель 4. К выпрямителю 4 подключен накопительный конденсатор 5 с подключенным к нему первым датчиком 6 напряжения. Первый датчик 7 тока включен в зарядную цепь конденсатора 5. Выходы датчика 6 и датчика 7 подключены к входам первого перемножителя 8 сигналов, выход которого подключен к входу первого интегратора 9. Второй датчик 10 напряжения подсоединен к источнику 1, второй датчик 11 тока включен в шину питания статического инвертора 2. Выходы вторых датчиков 10 и 11 подключены к входам второго перемножителя 12 сигналов, выход которого подключен к входу второго интегратора 13 сигнала. Выходы первого 9 и второго 13 интеграторов сигналов подключены соответственно к первому и второму входам первого делителя 14 сигналов, выход которого подключен к второму входу второго делителя 15 сигналов. На первый вход делителя 15 подают сигнал уставки U_y. Выход делителя 15 подключен к второму входу компаратора 16 сигналов. Выход компаратора 16 подключен к входу системы 17 управления, выход которой подключен к инвертору 2.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

В начальный момент времени компаратор 16 вырабатывает сигнал, который поступает в систему 17. Последняя вырабатывает сигналы управления инвертором 2. Начинается процесс заряда накопительного конденсатора 5 через ИЕП 3 (либо зарядную цепь любого другого вида) и выпрямитель 4.

Стабилизация энергии накопительного конденсатора осуществляется следующим образом. Информационный сигнал, пропорциональный напряжению на конденсаторе 5, снимается с датчика 6 и поступает на один вход перемножителя 8. Информационный сигнал, пропорциональный зарядному току, подается на второй вход перемножителя 8. Перемножитель 8 вырабатывает сигнал, пропорциональный произведению входных сигналов, т.е. пропорциональный мгновенной зарядной мощности накопительного конденсатора 5. Данный сигнал интегрируется интегратором 9, выходной сигнал которого пропорционален энергии, запасенной накопительным конденсатором 5. Сигнал с выхода интегратора 9 подается на первый вход делителя 14, на второй вход которого поступает сигнал, пропорциональный энергии, поступившей в предлагаемое устройство из источника 1. Данный сигнал получают точно так же, как и сигнал, пропорциональный энергии, запасенной конденсатором 5. С датчиков 10 и 11 сигналы поступают на второй перемножитель 12, а с его выхода- на интегратор 13, сигнал на его выходе пропорционален энергии, поступившей в предлагаемое устройство из источника 1. На выходе первого делителя 14 получают сигнал, пропорциональный отношению величины сигнала, подаваемого на первый вход делителя, к величине сигнала, подаваемого на второй вход делителя 14. Таким образом на выходе первого делителя получают сигнал, пропорциональный КПД зарядного устройства. Этот сигнал поступает на второй вход второго делителя 15, первый вход которого подключен к напряжению U_у уставки, пропорциональному энергии, которую должен запасти конденсатор 5 к окончанию зарядного цикла. На выходе делителя 15 получают сигнал с величиной, пропорциональной энергии, которую необходимо отобрать от источника 1 зарядному устройству для того, чтобы накопительный конденсатор 5 запас требуемую величину энергии. Сигнал с выхода делителя 15 поступает на вход компаратора 16, на другой вход которого поступает сигнал с выхода интегратора 13, пропорциональный энергии, отобранной зарядным устройством от источника питания. Таким образом на входы компаратора 16 поступают сигнал пропорциональной энергии, которая поступила в устройство от источника питания, и сигнал, пропорциональный энергии, которую необходимо отобрать у источника питания, причем в величине второго сигнала учтен КПД зарядного процесса. При совпадении величин сигналов, поступивших на входы компаратора 16, он вырабатывает сигнал, который через систему 17 выключает инвертор 2 и прекращает процесс заряда накопительного конденсатора 7. Следует отметить, что вместо отключения инвертора 2 система 17 может отключить ИЕП 3 последовательным ключом от инвертора 2 или закоротить выход ИЕП 3 ключом переменного тока, или закоротить выход выпрямителя 4 ключом постоянного тока (при этом появляется дополнительный диод, включенный последовательно с конденсатором 5), или выключить источник 1 (в этом случае источник должен быть управляемым).

На основе изобретения был разработан блок питания импульсного твердотельного лазера с частотой повторения импульсов накачки до 10 Гц и с энергией накачки до 200 Дж.

Устройство выполнено следующим образом.

Источник 1 представляет собой мост Ларионова со средней точкой, работающий от трехфазной сети 380/220 В, 50 Гц. Инвертор 2 и система 17 собраны по известной схеме. Частота преобразования f = 20-50 кГц. Нагрузкой инвертора служит Т-ИЕП, собранный на альсиферах марки Т4-60 и конденсаторах типа ССГ-2 или К78-2. На выходе ИЕПа 3 установлен высоковольтный трансформаторно-выпрямительный модуль (ВТВМ). Сердечник трансформатора собран на ферритах М 3000НМС ПК 40 х 18, а выпрямитель - на диодах КД 213. В качестве накопительного конденсатора 5 использованы четыре конденсатора типа К 75-40а-2000В-100 мкФ, соединенные параллельно-последовательно. Датчики напряжения 6 и 10 выполнены на резистивных делителях, датчиками тока 7, 11 также служат резисторы. Перемножители 8 и 12 собраны на микросхеме К525ПС2А. Делители сигналов 14 и 15 также собраны на микросхеме К 525ПС2А, но работающей в режиме деления. Интеграторы 9 и 13 собраны на микросхеме К 140УД14, а компаратор - на микросхеме К 554СА3.

Нестабильность энергии, запасаемой накопительным конденсатором, оценивается во всем диапазоне регулировки энергии накачки и изменения частоты следования импульсов накачки путем измерения нестабильности напряжения на накопительном конденсаторе при помощи анализатора импульсов АИ-1024. Нестабильность напряжения на накопительном конденсаторе при использовании предлагаемого устройства < 0,2% при нестабильности напряжения сети 10%.

Изобретение позволяет обеспечить более высокий КПД, так как в известном устройстве заряд осуществляется через резистор ( 50%), не создавать модуляции напряжения питающей сети (отбор мощности осуществляется более равномерно) и импульсных помех в сети, обусловленных запиранием зарядного тиристора. Кроме того, обеспечивается требуемое время заряда накопительного конденсатора, что также повышает стабильность напряжения на накопительном конденсаторе. Имеется возможность получить любое напряжение на накопительном конденсаторе и нарастить мощность на нагрузке.

Использование предлагаемого устройства, например, в источниках питания лазеров позволяет получить высокостабильное выходное излучение лазера, что в свою очередь позволяет эффективно использовать их во всех спектроскопических исследованиях, в прецизионных лазерных измерительных приборах, в устройствах связи и локации.