Система питания импульсного накопителя энергии

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 1709502 51)5 Н 03 3 НИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Оп ГОСУДАРСТВЕННЫЙКОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬС(72) В.В. Додотченко и А,Г, Николаев (53) 621 32 064 (088 8)56)Кныш В.А. Полупроводниковые преобразователи в системах заряда накопительных конденсаторов, Л 1981, с, 13, рис. 1.2.Булатов О.Г. и др. Полупроводниковые зарядные устройства емкостных накопителей энергии, М., 1986, с. 45, рис, 3.3,д, (54) СИСТЕМА ПИТАНИЯ ИМПУЛЬСНОГО НАКОПИТЕЛЯ ЭНЕРГИИ(57) Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано, наприИзобретение относится к импульсной технике и может быть использовано, например, при питании импульсной нагрузки,Цель изобретения - улучшение удельных энергетических показателей системы.На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема системы с токоограничивающим элементом в. виде резистора; на фиг. 2- схема системы с токоограничивающим элементом в виде линейного дросселя; на фиг. 3 - эквивалентные схемы, поясняю- . щие работу системы; на фиг; 4 - вариант выполнения блока управления; на фиг. 5, - графические зависимости КПД заряда кон-денсатора через. резистор токоограничива-. ющего элемента зс примерно равный КПД заряда емкостного накопителя через кон- денсатор и резистор дзи ( дзс = дзи) идеального коэффициента использования . источника и трансформатора преобразователя по мощности Киии при заряде накопимер, при питании импульсной нагрузки, Цель изобретения - улучшение энергетических показателей системы питания. Преобразователь 2 напряжения с трансформаторным выходом питается от источника 1 постоянного напряжения и .обеспечивает заряд емкостного накопителя 3 через токо- ограничивающий дозирующий блок, выполненный на конденсаторе 6, тиристоре 7, токоограничивающем элементе 9, который может быть выполнен в виде резистора или дросселя. Запуск системы питания осуществляется от блока 5 управления, выполненногоого на основе компаратора, двоичного счетчика и источника опорного напряжения, 2 3, и, ф-лц, 5 ил. теля через конденсатор и резистор, идеального коэффициента использования источника и трансформатора преобразователя по мощности Киис при заряде конденсатора через резистор и практического коэффициента использования источника и,трансформатора преобразователя по мощности Кнп = (Киин +,Киис) зс/2 при заряде накопителя через систему от относительного времени заряда или разрядаконденсатора т,; - т-/ гс = й /ДЯгс) = 1/(2 Хгс), где г = Яо+ Впр + К - сопротивление зарядной цепи поясняющие выбор такого оптимального с противления Я резистора, при котором оптимальное относительное время 1 во=1,5 соответствует примерно максимуму Кип при приемлемой КПД дс, а значит и минимуму установочной мощности источника и трансформатора преобразователя.Система питания импульсного накопителя энергии по фиг. 1 и 2 содержит источ, -1 ло ник 1 постоянного напряжения, например с напряжения Ост = Еи(1 - е ) =0,777 Е практически. неизменной ЭДС Е =сопз 1, при резисторе или Ост = Еи(1+ е 4) выход которого соединен с входом преобра- фф 1,770 Еи при линейном дросселе и резователя 2 напряжения с трансформатор- альной обротности системы 0 = ным выходом, емкостной накопитель 3, 5 ( + 1.рт)/С/(Во + Влр + Влд) =б.где . - параллельно которому через управляемый индуктивность. дросселя с активным сопрозамыкающий коммутатор и формирующую тивлением Влд, .рт - индуктивность рассея- индуктивность или непосредственно под- . ния трансформатора преобразователя 2, ключена импульсная нагрузка 4, блок 5 уп- Во - приведенное к выходу трансформатора равления, конденсатор 6, тиристор 7, диод 10 преобразователя 2 внутреннее сопротивле 8 и токоограничивающий элемент 9 в виде ние источника 1, Вор - среднее сопротивлерезистора или линейного дросселя. Первый ние диода 8 в проводящем направлении, , вывод токоограничивающего элемента 9 . сг, О = с/ го =1,5 - оптимальное относи- соединен с первым выводом блока 5 управ- тельное время заряда конденсатора 6, г,о= .пения, с первым выводом выхода преобра =гоС - постоянная времени заряда кондензователя 2 напряжения, второй вывод - с сатора 6 через оптимальное зарядное сопервым выводом нагрузки 4,с первым вы противление го = Во + В + Впр В водам накопительного элемента 3, с вторым оптимальное сопротивление резистора выводом блока 5 управления, с анодом дио- (элемент 9), при котором 1 ло=1,5. да 8, катод которого соединен с первым 20 При отрицательном полупериоде изме- выводом конденсатора 6,анодом тиристора нения выходного напряжения Одб транс, катод которого соединен с вторым выво- форматорапреобразователя 2 с ЭДС-Еи дом емкостного накопителя 3 и с третьим блок 5 управления. открывает тиристор 7, выводом блока 5 управления, второй вывод вторичная обмотка трансформатора преобконденсатора 6 - со вторым выводом выхо разователя 2 .соединяется своим напряда преобразователя 2 напряжения, четвер-, жением О б последовательно-согласно с тым выводом блока 5 управления, пятый напряжениемОстнаконденсаторебиотних вывод которого связан. с управляющим квыводамемкостногонакопителя 3 приклаэлектродом тиристора 7. дывается максимальное суммарное напряБлок управления(фиг, 4) может быть 30 жение Е,+О=Е(2-еф) =1,777 Еипои выполнен на основе резисторов 10 - 13 резисторе и Еи + Ост = Еи(2+ е ") образующих два делителя напРяжения, в =2,77 Еи при дросселе и через емкостной двоичном счетчике 14, компараторе 15, ис- . накопитель 3 по цепи (фиг. 3 в и Зг), трансточнике 16 опорного напряжения, импульс форматор преобразователя 2 - конденсатор ном трансформаторе 17, диоде 18 35 6 - тиристор.7 - накопительЗтокоограничизапускающем тиристоре 19. вающий элемент 9 - трансформатор преобСистема питания работает следующим разователя 2 будет протекать ток, который образом. заряжает емкостной накопитель 3 порциейЭнергия источйика 1 постоянного на- энергии ц: пряжения, например с практически неиз Эатем описанным путем в следующий менной ЭДС Е = сапам, преобразуетсяпериод изменения напряжения Ож транс- преобразователем 2 напряжения-инверто- форматора преобразователя 2 происходит ром, выполненным, например, по одно сначала заряд конденсатора 6 до макси-. фазной нулевой схеме на двух тиристорных мального напряжения Ост и затем заряд наключах,трансформаторесдвумя выводами 45 капителя 3 следующей порцией энергии и коммутирующем конденсаторе, вэнергию ЬЕн, и так далее циклически с частотойпеременного напряжения с напряжением изменения напряжения трансформатора или ЭдС прямоугольной формы величиной преобразователя 2, Если максимальное наОл или Еи При положительном полупериоде пряжение заряда накопителя 3 ограничить изменения выходного напряжения Оаб 50 величиной Оент = (Еи + Ост)У 2, то каждый трансформатора преобразователя 2 с ЭДС зарядный период из плк = Г ьк зарядных Еи и частотой т происходит заряд конЮ" периодов за время заряда емкостного накосатора 6 с емкостью С через токоогра- пителяЗтэкнакопительЗбудетзаряжаться ничивающий элемент 9 по цепи (фиг, 3 а и одинаковой порцией энергии Ь Ен, а от ис-3 б) трансформатор преобразователя 2 55 точника 1 и трансформатора преобразоватокоограничивающийэлемент 9-диод 8 тепя 2 будет потребляться неизменная конденсатор,6 - трансформатоР преобРа- средняя мощность за каждый период измезователя 2 за время половины полуперио нения напряжения трансформатора Рср = да у П/(2 Пт) - 1(2) до максимального - Ь ЕН 1/ цзс. В этом случае КПД зарядаконденсатора 6 через резистор или линейный дроссель р 0 и КПД заряда накопителячерез конденсатор 6 и резистор или дроссель зн определяется соотношениямиж.- Я - е )1=/(,2 т(. 2 П Е (1 + е ) (+к(4 дь( - )3 = 0,89015при дросселе и 0=6, где = + ( рт)/(Во+Влд + Впр) - постоянная времени зарядныхконтуров,ИдеальНый коэффициент использова- .ния источника 1 и трансформатора преобразователя 2 по мощности, под которымпонимается отношение. средней мощностиисточника 1 и трансформатора преобрэзоВатЕЛЯ 2 РорРтрф К И Х МаКСИМЭЛЬНОйУСтаНОВЛЕННОй МОЩНОСТИ Рл)=Рр 0)л ОПРЕДЕляется при заряде накопителя 3 через конденсатор 6 и элемент 9- резистор Киин = 2(1 е )/(т 0( е 2( п 0 )1 при заряденакопителя 3 через коддансатор 6 и дрос.сель; К =4 (1+елка )зля 1+140-ЗО- 1) 40 - 1(1 - е ), при зарядезп/ яет.конденсатора 6 через резистор Киис ==(21 с аи(1,-е и ) - 10 (пи (1 - е "0 )/23/7ГдЕ 0(и = 2 (1 -ЕП" ) /(1 Е 2" ) кк(2- е (- идеальный максимальный относительный ток заряда конденсатОра бчерез резистор; при заряде конденсатооа 6через дроссель Киис = (23 щи. (1 +е ф" ) -( О. - 1(1 Е Я Ча 1 )(2 Ч. Лаьск-)идеальный максимальный относительныйток заряда конденсатора 6 через дроссель, ..Практический коэффициент использования источника 1 и трансформатора преобразователя 2 по мощности при заряденакопителя 3 через систему заряда, под которым понимается отношение среднейзарядной мощности накопителя 3 Рзср =2= СНОена /(2 сэк) = Епи/сзк К МаКСИМаЛЬНОйустановленной мощности источника1 и трансформатора 2 преобразователя.Ра =Ртрв, где Сн - емкость накойителя 3,ек - время его заряда .до максимальноГонапряжения Оеар), Епи - энергия импульсапитания нагрузки 4, определяется соотношением: Кип =(Киин зк+ Киис Цзс)/2Рассчитанные по приведенным выражениям графические зависимости КПД эаряда конденсатора 6 через: резистор(элемент 9) и КПД заряда накопителя 3 через конденсатор 6 и резистор узы идеальных коэффициентов использования источника 1 и трансформатора преобразователя 2 по мощности при заряде накопителя 3 через конденсатор 6 и резистор Ки(дн и при заряде конденсатора 6 через резистор Киис, и практического коэффициента использования источника 1 по мощности при заряде через систему питания Кип от относительного времени заряда,и разряда конденсатора 6 в течение длительности половины полупериО- да изменения выходного напряжения трансформатора 1= П/(2 Пт)=1/21; определяемого -соотношением пу=тл/ г, = 1/(25 гс), где т, = гс - постоянная времени заряда и разряда конденсатора через активное сопротивление г = Во+ В+ Впр, приведены на фиг, 4, Максимальной величины практический коэффициент использования источника 1 и трансформатора преобразователя 2 по мощности кип =0,37 достигается при сп 4(.= =0,5, однако при увеличении относительного временй с от 0,5 до 1,5 Кип уменьшается всего на 6% (до Кип = 0,346); а КПД заряда накопителя 3 через систему питания Цзс =узы =це увеличивается на 14. (от 0,398 до О, 450), что приводит к существенному уменьшению расхода топлива и окислителя для работы источника 1, кроме того при этом относительное напряжение заряда кондЕнсатора 6 О 0(0/Еиувеличивается примерно нэ 110,4 (от, 0,3935 до 0,7769), что в 1,97 раза уменьшает при заданном напряжении заряда Оенп) ЗДС или напряжение Ои на выходе трансформатора преобразователя 2 и минимум на 10% уменьшает массу и объем трансформатора. Поэтому по целому комплексу преимуществ оптимальное время заряда и разряда конденсатора 61 12 1 гос 21 с(Ро+В+Впр)откуда получаем выражение для оптимального сопротивления резистора элемента 9- Во Впр 1 31 с(2) используемое в отличительной части и, 2 формулы изобретения, где С - емкость конденсатора 6; 1 - частота изменения выходного, напряжения трансформатора преобразователя 2; Во - приведенное к выходу трансформатора преобразователя 2 внутреннее сопротивление источника 1; Впав среднее сопротивление диода 8 (или тиристора 7) в проводящем направлении, которое на 2-3 порядка меньше сопротивления Во,Максимальный КПД заряда конденсатора 6 через дроссель цэс и накопителя 2 через конденсатор 6 и, дроссель зн =зс,определяемый приведенным выражением, достигается при резонансном режиме заряда и разряда конденсатора 6, когда индуктивность системы 5 10.+р, -с (2 П 1)2 откуда находит исполь тельной части и. 3 фо выражениедля опреде индуктивности :линей(3) уемое в ограничи мулы изобретения ения оптимальной ого дросселя.9 15- 2 О, С(2 ПХ) где рт - индуктивность рассеяния трансформатора и еоб азователя 2;0 = 9" +рт)/С /(йо + Ялд + йпр) - добротность системы при заряде конденсатора 6 через дроссель,В системе с токоограничивающим элементом 9 в аиде резистора с оптимальным сопротивлением, определяемым выражени ем (2), такие удельные энергетические показатели; как удельная, энергия по массе и объему системы, улучшаются (увеличивактся) по сравнению с базовой системой примерно в 1,4 и 1,3 раза путем уменьшения 35 максимальной установленной мощности источника 1 и трансформатора преобразователя 2 примерно в 2 раза за счет увеличения в 2 раза их практического коэффициента использования по.мощности.40В системе с.токоограничивающим эле- . ментом 9 в виде линейного дросселя с оптимальной индуктивностью, определяемой выражением (4), такие удельные энергетиче. ские показатели, как удельная энергия по 45 массе и объему системы, улучшаются (увеличиваются) по сравнению с базовой системой в 1,7 и 1,5 раза соответственно путем уменьшения установленной мощности источника 1 и трансформатора 2 примерно в 3,3 раза 50 за счет увеличения в 3,36 раза.их практического коэффициентаиспользования по мощности.Таким образом, снабжение системы питания импульсного накопителя энергии до полнительными блоком 5 управления, токоограничивающим элементом 9 в виде резистора или линейного дросселя с оптимальными сопротивлением В или индуктивностыоопределяемыми выражениями (2) или (4) соответственно, и применение в качестве зарядного вентиля тиристора 7, обеспечивая неочевидность схемно-технического и параметрического решения задачи, в 1,3-1,7 раза улучшает удельные энергетические показатели системы путем уменьшения в 2-3,3 раза установленной мощности источника 1 и трансформатора преобразователя 2 за счет увеличения в 2- 3,36 раза практического коэффициента их использования по мощности, а в системе с токоограничивающим элементом в виде линейного дросселя в 1,72 раза увеличивает КПД заряда емкостного накопителя 3 через однофазный преобразователь неизменной мощности, что примерно во столько же раэ уменьшает:массу топлива для работы энергетической установки с источником 1 постоянного напряжения.Блок управления согласно фиг, 4 работает следующим. образом,При первом положительном полуперио. де,изменения напряжения преобразователя 2, пропорциональная часть напряжения которого снимается с резистора 11 (фиг, 4) делителя напряжения источника и подается на первичную обмотку импульсного трансформатора 17, с вторичной обмотки импульсвого трансформатора. через диод 18 на один и другой входные выводы двоичного счетчика подается положительный импульс . напряжения, соответствующий переднему фронту положительного полупериода изменения напряжения преобразователя 2. Двоичный счетчик отсчитывает первый импульс. При втором положительном полупериоде изменения напряжения источника двоичный счетчик отсчитывает второй положительный импульс и, насыщаясь, выдает на управляющий переход запираемого тиристора 19 постоянное отпирающее напряжение.и он открывается. Со вторичной обмотки импульсного трансформатора через запираемый тиристор на управляющий переход тиристора 7 в начале каждого следующего положительйого полупериода изменения напряжения преобразователя 2 подаются отпирающие импульсы напряжения и.он открывается и остается открытым весь положительный полупериод втечение времени 1 = т= П Уви, где - круговая частота напряженйя преобразователя 2,Формула изобретения 1. Система питания импульсного накопителя энергии, содержащая источник постоянного напряжения, выход которого . соединен с входом преобразователя напряжения с трансформаторным выходом, емкостной накопитель, параллельно которому подключена импульсная нагрузка, о т л и ч аю щ а я с я тем, что, с Челью улучшеМия удельных энергетических показателей системы, в нее введены блок управления, конденсатор, тиристор, диод, токоограничивающий элемент, первый вывод которого соединен с.первым выводом блока управления, с первым выводом выхода.преобразователя .напряжения с трансформаторным выходом, второй вывод - с первым выводом импульсной нагрузки, с первым вывбдом емкостного накопителя, с вторым выводом блока управления, с анодом диода, катод которого соединен с первым выводом конденсатора, анодом тиристора,катод которого соединен с вторым. выводом емкостного накопителя и с третьим выводом блока управления, второй вывод конденсатора соединен с вторым выводом выхода преоб-. разователя напряжения с трансформатор-, ным выходом, четвертым выводом блока управления, пятый вывод которого соеди-. нен с управляющим электродом тиристора.2. Система по и. 1, о т л и ч а ю щ а яс я тем, что в качестве токоограничивающего элемента применен резистор, сопротив.ление В которого определяется выражением В = - Во Впр 1где 1 - частота изменения выходного напря 5 жения ггреобразователя напряжения с,трансформаторным выходом:С - емкость конденсатора;Во - внутреннее сопротивление источника постоянного напряжения, приведен ное к выходу преобразователя напряженияс трансформаторным выходом;Впр - среднее сопротивление диода .проводящем направлении.3, Системапо п.1, отличаещая с я тем, что в качестве токоограничивающего элемента применен линейный дроссель, индуктивность которого . определяется выражением20 11 --402.С (2 П 1) .25 где -Рт - индуктивность рассеяния транс"форматора преобразователя напряжения странсформаторным выходом;0 - добротность системы при зарядеконденсатора через дроссель.Р 5 Составитель А.Горбачевдактор Н.Горват Техред М.Моргентал Корректор Л.БескидЗаказ 435 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 1