коммутационное устройство для вывода энергии из индуктивного накопителя в нагрузку

Формула изобретения

КОММУТАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫВОДА ЭНЕРГИИ ИЗ ИНДУКТИВНОГО НАКОПИТЕЛЯ В НАГРУЗКУ, содержащее дроссель насыщения, выключатель, первый ключевой элемент, первый конденсатор с цепью предварительного заряда и выходной вывод, причем между входным и общим выводами устройства параллельно включены первая цепь, состоящая из последовательно соединенных дросселя насыщения и выключателя, и вторая цепь, состоящая из последовательно соединенных первого ключевого элемента и первого конденсатора, отличающееся тем, что, с целью уменьшения массы и габаритов устройства, включаемого на нелинейную нагрузку с возрастающим электросопротивлением в процессе вывода энергии из индуктивного накопителя, в устройство введены второй ключевой элемент и второй конденсатор с цепью предварительного заряда, первый ключевой элемент шунтирован цепью последовательно соединенных второго ключевого элемента и второго конденсатора, при этом выходной вывод соединен с выводом выключателя со стороны дросселя насыщения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для коммутации тока в импульсных источниках питания с индуктивными накопителями энергии.

Известно устройство [1] для вывода энергии из индуктивного накопителя, содержащее последовательно соединенные дроссель насыщения и выключатель, параллельно которым подключены конденсатор с ключевым элементом и нагрузка. Для уменьшения энергоемкости конденсатора, а следовательно габаритов и веса всего устройства, оно снабжено трансформатоpом и плавкой вставкой.

Недостатком известного устройства является использование в нем плавкой вставки, содержащей разрушаемый элемент, который необходимо заменять после каждого срабатывания устройства.

Известно устройство [2] для коммутации энергии индуктивного накопителя, содержащее последовательно соединенные дроссель насыщения и выключатель, параллельно которым подключена электрическая цепь, состоящая из последовательно соединенных конденсатора и ключевого элемента-разрядника.

Для повышения надежности работы устройства оно дополнительно снабжено цепочкой последовательно соединенных конденсатора, дросселя и разрядника, причем указанная цепочка подключена параллельно дросселю насыщения и выключателю. Как основная цепочка, состоящая из последовательно соединенных конденсатора и ключевого элемента-разрядника, так и дополнительная цепочка, состоящая из конденсатора, дросселя и разрядника, служат для облегчения гашения электрической дуги в выключателе в процессе коммутации тока.

Недостатком известного устройства является то, что конденсаторы основной и дополнительной цепочки должны быть выбраны на полное рабочее напряжение устройства, так как обе цепочки подключены параллельно выключателю и нагрузке. При больших рабочих токах и напряжениях энергоемкость этих конденсаторов, а следовательно их вес и габариты, будут весьма большими. Так при рабочем токе порядка 100 кА и напряжении 50 кВ конденсаторы будут представлять собой довольно громоздкие батареи массой в несколько тонн, что значительно увеличивает вес и габариты всего устройства.

Целью изобретения является уменьшение массы и габаритов коммутационного устройства для вывода энергии из индуктивного накопителя в нагрузку путем уменьшения габаритов и массы входящих в устройство конденсаторов (конденсаторных батарей) при работе на нелинейную нагрузку с возрастающим электросопротивлением в процессе вывода энергии из индуктивного накопителя.

Это достигается тем, что в устройство для вывода энергии из индуктивного накопителя в нагрузку, содержащем дроссель насыщения, выключатель, первый ключевой элемент, первый конденсатор с цепью предварительного заряда и выходной вывод, в котором первая цепь, состоящая из последовательно соединенных дросселя насыщения и выключателя, и вторая цепь, состоящая из последовательно соединенных первого ключевого элемента и первого конденсатора, включены параллельно между входным и общим выводами устройства, дополнительно введены второй ключевой элемент и второй конденсатор с цепью предварительного заряда, причем первый ключевой элемент шунтирован цепью последовательно соединенных второго ключевого элемента и второго конденсатора, при этом выходной вывод устройства соединен с выводом выключателя со стороны дросселя насыщения.

На чертеже представлена электрическая схема коммутационного устройства для вывода энергии из индуктивного накопителя в нагрузку.

Устройство включается в цепь 1 источника тока и индуктивного накопителя 2 и содержит дроссель насыщения 3, выключатель 4, первый ключевой элемент 5, первый конденсатор 6 с целью предварительного заряда, второй ключевой элемент 7 и второй конденсатор 8 с цепью предварительного заряда. Последовательно соединенные дроссель насыщения 3 и выключатель 4 образуют первую цепь, а последовательно соединенные первый ключевой элемент 5 и первый конденсатор 6 вторую цепь, которые включены параллельно между входным и общим выводами устройства. Первый ключевой элемент 5 шунтирован последовательно соединенными вторым ключевым элементом 7 и вторым конденсатором 8.

Выходной вывод устройства соединен с выводом выключателя 4 со стороны дросселя 3 насыщения. Нелинейная нагрузка 9 с возрастающим в процессе вывода энергии из индуктивного накопителя электросопротивлением подключена к выходному и общему выводам устройства параллельно выключателю 4. Емкость второго конденсатора 8 выбирается на 1-2 порядка меньше емкости первого конденсатора 6. В качестве ключевых элементов 5 и 7 могут использоваться, например, вакуумные разрядники.

Работа устройства происходит следующим образом. Индуктивный накопитель 2 заряжается от источника тока 1 через замкнутые контакты выключателя 4 и дроссель 3 насыщения. При достижении в индуктивном накопителе 2 заданного тока замыкается ключевой элемент 5 и предварительно заряженный конденсатор 6 разряжается на цепь: ключевой элемент 5 дроссель насыщения 3 выключатель 4, создавая условия для отключения тока в выключателе. Одновременно размыкаются контакты выключателя 4.

После отключения тока выключателем начинается перезаряд конденсатора 6 током индуктивного накопителя 2 до напряжения, равного начальному напряжению на нелинейной нагрузке. В начальный момент вывода энергии нелинейная нагрузка 9 имеет минимальное сопротивление и напряжение на ней в этот момент в несколько раз меньше максимального значения. Это позволяет использовать, в качестве первого конденсатора 6, конденсатор с относительно небольшим напряжением (в несколько раз меньшим максимального напряжения устройства). После того, как напряжение на конденсаторе 6 достигнет значения начального напряжения на нелинейной нагрузке 9, по цепи ключевой элемент 5 конденсатор 6 будет протекать некоторый остаточный ток, связанный с увеличением сопротивления нелинейной нагрузки в процессе вывода энергии. В этот момент замыкается второй ключевой элемент 7 и предварительно заряженный конденсатор 8 разряжается на первый ключевой элемент 5. Так как остаточный ток в цепи первый ключевой элемент 5 первый конденсатор 6 относительно небольшой (на 1-2 порядка меньше рабочего тока индуктивного накопителя), то для его гашения достаточно относительно небольшой емкости второго конденсатора 8. При этом создаются условия для перевода ключевого элемента 5 в непроводящее (разомкнутое) состояние.

В результате последовательно с первым конденсатором 6 оказывается включенным второй конденсатор 8, имеющий меньшую емкость, чем конденсатор 6, но рассчитанный на полное рабочее напряжение устройства, которое определяется максимальным напряжением на нелинейной нагрузке 9 и может достигать в процессе вывода энергии величины в несколько десятков киловольт. Так как емкость дополнительного конденсатора 8 значительно меньше (в десятки раз) емкости основного конденсатора 6, то практически все напряжение, которое будет генерироваться на нелинейной нагрузке в процессе вывода энергии, будет приложено к дополнительному конденсатору 8. Это позволяет снизить (в несколько раз) рабочее напряжение основного конденсатора 6, т.е. его габариты и массу, а следовательно, уменьшить габариты и массу коммутационного устройства в целом.