Устройство для заряда накопительных конденсаторов

(1) 7381 оюз СоветскихоциалистическихРеспублик ЗОБРЕТ,Е К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ Дополнительное к авт. саид-ву аявлено 11,01.78 (21) 25676(.51)М. Кл, НОЗКЗ 2 с присоединением заявк Гооударотееиный комитет СССР 3)Приорит о 30,05.80, Бюллетень Ле по дет 1 ам изобретений и открытий(7 вител УСТРОЙ СТ О ДЛЯ ЗАРЯДА ОНДЕНСАТОРО ОПИТЕЛ 2 ных кон перемени инейныйрный вьпт подключравляемьяжения и тво предназначено д ных конденсаторов г пульсов, например, генераторов, в лок мпульсных плаэменн енсаторов,оо тока,дроссель,рямитель-уменный к име вентилиуправления Устро акопительля зарядаенераторовптических мощных квантовь технике, лей, в эл тп ационной тх двигатерической сварке о за я а.нак н дельройства Известны устройства для р д опительных конденсаторов Я .Недостатки известного устройства заключаются в низком КПД заряда накопительных конденсаторов, в том, что в схеме заряда не предусмотрена стабилизация уровня энергии, запасаемой в накопителях, несмотря на наличие в ней системы стабилизации напряжения, так как учет раэ 1 броса величин емкостей конденсаторов схема йе предусматривает, а также в том, что зарядная схема"оказывает прямое вли- яние иа разрядную цепь импульсной на 20 грузки, так как источник не изолированот разрядной цепи.Наиболее близким техническим решени ем к предлагаемому является устройство для заряда накопитель содержащее источник токоогранйчивающий л вентильно-конденсато ножитель напряжения, пульсной нагрузке, уп и блок контроля напр управляемыми вентиля Недостатки этого устройства заключаются в том, что заряд накопительного конденсатора произвьдится эа большое. число периодов напряжения источника пере менного,тока, что требует установки в схеме дополнительного накопительного ко денсатора, а зарядная схема, даже при использованиидросселя,-может увелйчить напряжение на нагрузке только в четыре паза по отношейию"камплитуде напряже- ния источника. Все это не обеспечивает известному устройству требуемые удель.цае энергетические показатели.Цель изобретения - повышение у ьх энергетических показателей устПоставленная цель достигается тем, что в устройстве для заряда накопительного конденсатора, содержащем источник переменного тока, токоограничивающий линейный дроссель, вентильно-конденсаторный выйрямитель-умножитель напряжения, подключенньгй к импульсной нагрузке, управляемые вентили и блок контроля напря жеиия и управления управляемьп 4 и вентилями, вентицьно-конденсаторный выпрямитель умножитель напряжения выполнен в виде че тырех соединенных параллельно ячеек, кажда из которых образована двумя включенными согласно вентилями, соединенными друг с другом через конденсатор, аноды управляемьм вентилей первой и второй ячеек :и катоды неуправляемого вентиля третьей и управляемого вентиля четвертой ячеек через токоограничивающий линейный дроссель подключены к одной клемме, а катоды неуправляемого вентиля первой, управляемого вентиля второй и анодов управляемых вентилей третьей и четвертой ячеек 4ко второй клемме источника переменного тока, при этом катод управляемого венти ля первой ячейки соединен с анодом управляемого вентиля второй ячейки, соединенного с конденсатором, катод управляемого вентиля третьей ячейки соединен с анодом управляемого вентиля четвертой 30 ячейки, соединенного с конденсатором, и катод управляемого вентиля второй ячейки соединен с анодом дополнительйого управляемого вентиля, катод которого соединен с анодом неуправляемого вентиля З 5 третьей ячейки, в свою очерель точка соединения катода управляемого вентиля и конденсатора в четвертой ячейке подключена к положительной клемме, а анод неуправляемого вентиля первой ячейки сое динен с отрицательной клеммой генератора мощных импульсов, причем управляющие входы управляемых вентилей подключены к выходу ячейки временного сдвига импульсов;.выполненной, например, на коль 5 цевом счетчике и дещифраторе.Кроме того, в устройстве параллельно 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 и55 второй вентильно-конденсаторной ячейках непосредственно, в третьей и четвертой- через дополнительно введенный дроссель, а параллельно токоограничивающему лйней; ноЬу 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.На фиг. 1 приведена схема устройства для заряда накопительных конденсаторов, на фиг. 2 - то же, предназначенное для приведения схема заряда емкостей к нулевым начальным условиям к началу каж дого зарядного цикла и стабилизации уров ня запасенной энергии в конденсаторах в конце этих циклов. Устройство содержит источник 1 переменного тока, подключенный через токоограничивающий линейный дроссель 2 параллельно к четырем ячейкам. Первая ячейка ссстоит из управляемого вентиля 3, кон денсатора 4, неуправляемого вентиля 5,управляемого вентиля 6, конденсатора 7,и управляемого вентипя 8, Вентильные элементы этих двух ячеек включены в прямом направлении, Третья и четвертая ячейки конденсаторов включают в себя вентильные элементы, включенные в обратном направлении и .состоят соответственно из неуправляемого вентиля 9, конденсатора 10, управляемых вентилей 11 и 12, конденсатора 13, управляемого вентиля 14. Катод управляемого вентиля 3 первой ячейки соединен с анодом управляемого вентиля 8 второй ячейки, а катод управляемого вентиля 6 этой же ячейки через управляемый вентиль 15 соединен с анодом неуправляемого вентиля 9 третьей ячейки. В свою очередь, катод управляемого вентиля 11 третьей ячейки подключен к аноду управляемого вентиля 12,Импульсная нагрузка 16 положительной клеммой подсоединена к катоду управ ляемого вентиля 14, а отрицательной - к аноду неуправляемого вентиля 5.Блой 17 контроля напряжения накопительных конденсаторов подключен к генератору 18 тактовых импульсов, который подает импульсы к устройству 19 временного сдвига импульсов, выполненного на кольцевом счетчике 20 и дешифраторе 21, В качестве управляемых вентилей в устройстве (фиг, 1) применены тиристоры, а в качестве неуправляемых - диоды.Устройство для заряда накопительных конденсаторов работает следующим обрезом.5 738117Предположим, что в какой-то момент ния при открытом тиристоре 3, а тиристовремени от источника 1 переменного тока 12 - приоткрытом тиристоре 11.подается положительная волна напряжения, Предлагаемая схема зарядного устройа от дешифратора 21 поступает управля ства имеет следующие преимущества поющий импульс на открытие тиристора 3, сравнению с известным (2: высокий КПДТогда от источника переменного тока.че- заряда конденсаторов, так, например, прирез токоограничиваюший линейный дрос- ,добротности дросселя-10 КПДЯу , зарядасель 2, индуктивность которого настроена Равен г =0,93; источник переменного тов резонанс с накопительными конденсато- кане оказывает влияния на время деионирами на частоте источника, течет ток в зации импульсной нагрузки, так как послвконденсатор 4. Происходит резонансный заряда всех четырех накопительных конзаряд конденсатора 4. Во время заряда денсаторов их разрядная цепь полностьюзарядный ток изменяется по синусоидаль- изолирована от источника уровень запаса-.,ному закону, а напряжение на накопитеЛь- емой энергии в накопительных конденсатономконденсаторе достигает удвоенного рах приих заряде предлагаемымустройамплитудного значения напряжения источ- ством ограничивается только возможностяника переменного тока. Когда ток заряда ми промышленности при изготовлении отнакопительного конденсатора становитсядельных элемейтовсхемй зарядное устройравным нулю, тиристор 3 гаснет, ство накопительных конденсаторов обеспеПри появлении отрицательной волны на- чивает многократное повышение напр е-20 ряжпряжения источника дешифратор подает уп- ния питания импульсной нагрузки при за-равляющие импульсы на тиристор 11, ко- . данном значении номинального напряженияторий открывается, обеспечивая тем са- . источника переменного тока. Теоретичесмым резонансный заряд конденсатора 10 ки можно собрать любое четное число коъ.- от той же индуктивности дросселя 2, 25 денсаторных ячеек Я, емкости которых заТиристор 11 закрывается так же, как Ряжаютса до двойного амплтудного значе,и в первом случае, при достижении значе- ния напряжения источников. Тогда суммарния зарядного тока конденсатора 11 нуле- ное напряжение последовательно соединенвого значения, ных конденсаторов ЕО равноКВо втором периоде изменения напряжезд КГЦ -ф),9 вЯния источника переменного тока,при появ- "-КГленни положительной волны напряжения,дешифратор подает управляюшие импульсы де О- действующее значение напряна тиристоры 6 и 8 для заряда конденса- жения источника переменноготора 7, а при появлении отрицательной вм- тока.ны напряжения - на тиристоры 12 и 1435При этом частота разряда конденсадля заряда конденсатора 13, торов на импульсную нагрузку равнаТаким образом, за .два периода напряжения. источника переменного тока все че-ГР йтыре конденсатора заряжаются до двойно-,го амплитудного значения напряжения ис где г частота источника переменноточника, При подаче управляющего импульса к тиристору 15 (или разряднику) все Важно также отметить, что при любомчетыре конденсатора оказываются включен- выбранном числе конденсаторных ячеек д,ными последовательно по отношению к им- Разрядная цепь конденсаторов упраЬляет 45пульсной нагрузке 16, к которой прикла- ся л.щд одним упРавляемым вентилемдывается восьмикратное амплитудное зна- (тиристором или разрядником).чение напряжения источника переменногоРоме того с целью обеспечения статока, Происходит импульсный разряд после. билизации уРовня энергии в нагрузке вдовательно соединенных конденсаторов на каждом Разрядном цикле устройство для56 за яимпульсную нагрузку, и при достижениизаряда снабжено дополнительными тиристстока Разряда нулевого значения тиристор Ри и индуктивностью, приводящими схеЫ гаснет, му к нулевым начальным условиям передкаждым циклом Резонансного заряда накоВ схеме зарядного устройства (фиг. 1) пительных конденсаторо б55оров и ста илизируютиристоры 3, 6, 11 и 14 служат для уп- шими уровень запасаемой энергии в них .равления цепями заряда конденсаторов 4, при каждом разрядном цикле.7, 10 и 13. Кроме того, тиристор 8 пре- Зарядное устройство накопительных кондохраняет источник от короткого замыка- денсаторов (фиг, 1) обеспечивает питание7 7381ймпульсной нагрузки, если последняя непредъявляет повышенных требований к стабильности запасаемой энергии в емкостяхв каждом зарядном цикле,Как известно, количество запасеннойэнергии в конденсаторах при резонанснойихзарядке в существенной мере зависитот величины напряжения источника переменного тока, от отклонения частоты источника от резонансной и от правильного оподбора емкостей конденсаторов в ячейкйх. Если влияние отклонения напряженияи частоты источника от заданного значения на величину запасаемой энергии в конденсаторах очевидно, то влияние выбора 1емкости конденсаторов каждой ячейки требует пояснения,Зарядное устройство должно иметь одинаковую емкость в конденсаторех всехячеек. Но на практике невозможно выбрать 2 Онесколько конденсаторов, имеюших совершенно одинаковую емкость. Предположим,что один из накопительных конденсаторовимей несколько большую емкость, чемостальные. Тогда энергия, запасенная в 2нем, становится несколько больше, чем в,остальных. При разряде последовательносоединенных конденсаторов на импульснуюнагрузку ток разряда, проходящийпо кондейсаторам, одинаков, а это значит, чтоконденсатор, имеющий большую емкость,разрядится позднее, чем остальные, Если считать, что емкости остальных трех" коаннсаторов одинаковы, то при разрядеконденсаторов на импульсную нагрузку на-Зстанет момент времени, когда напряжениена них станет равным нулю (конденсаторы полностью отдали свою энергию вщи рузку), а напряжение на конденсаторе,имеющем большую емкость, отлично отнуля и имеет полярность, попученную приего заряде. Этот конденсатор продолжает отдавать свою энергию в нагрузку, при этом перезаряжая остальные три конденсатора. Ток заряда конденсаторов становится равным нулю (тпристор 15 запирается) лишь тогда, когда напряжение на конденсаторе, имеющем большую емкость, равно сумме напряжений трех последовательно соединенных конденсаторов, имеющих обратную полярность.Таким образом, после заряда конденсаторов на нагрузку один из них сохраняет остаточный заряд одного знака, а три другйх имеют остаточный заряд другого знака, При следующем зарядном цйкле резонансный заряд конденсаторов начинается не 17 8принулевых начальных условиях, а следовательно, уровень запасенной энергии вних отличается от уровня предшествующего зарядного цикле.При некоторых условиях наблюдаетсятенденция к увеличению разбросе уровнейзапасаемой энергии конденсаторами в различных зарядных циклах.Рассмотренные процессы значительноусложняются, если предположить, что всечетыре конденсатора имеют неодинаковыеемкости.Устройство для заряда накопительныхконденсаторов, представленное на фиг, 2,предназначено для приведения схемы заряда емкостей к нулевым начальным условиям к началу каждого зарядного циклаи стабилизации уровня запасенной энергиив конденсаторах в конце этих циклов,Источник 1 переменного тока через линейный дроссель 2 резонансным методомзаряжает конденсаторы четырех ячеек.Вентили и конденсаторы 3-15 всехячеек собраны по схеме, изображенной нафиг. 1. Импульсная нагрузка 16 подключена к выходным клеммам четырех последовательно соединенных конденсаторов.Блоки контроля напряжения и управлениятиристорами выполняют не только функциипо управлению тиристорами 3, 6, 8, 11,12, 14 и 15, но и дополнительные, описанные выше,Параллельно конденсаторам всех ячеекподключены цепочки, состоящие из управляемых вентилей 22-25 и дросселей26-29. К выходным клеммам линейногодросселя 3 подключены два управляемыхвентиля 31 и 32. Напряжение, снимаемоесо всех конденсаторов, подводится к блоку 17 контроля напряжения, который подкшочен к генератору 18 тактовых импульсов, последний, в свою очередь, подаетимпульсы к устройству 19 временногосдвига, выполненного на кольцевом счетчике 20 и дешифраторе 21.Схема (фиг. 2) обеспечивает работуустройства для заряда в двух режимах.Первый режим работы схемы служитдля приведения к нулевым начальным условиям перед зарядным циклом конденсаторов. После отпирания тиристора 15 конденсаторы разряжаются не импульсную на.грузку. Так как емкости конденсаторовнеодинаковы, то их разряд прекращается,когда сумма всех напряжений конденсаторов становится равной нулю. Таким образом, каждый конденсатор имеет остаточное напряжение, в общем случае, произС) 738 вольного знака. Для уничтожения остаточного заряда конденсаторов и приведения резонансной схемы заряда к нулевым начальным условиям в качестве управляемых вентилей 22-25 необходимо использовать ,симисторы, сигналы на открытие которых в обоих направлениях подаются сразу же поспе запираиия тиристора 15, Происходит разряд конденсаторов через коротко- замкнутую цепь тиристор - индуктивность. 10 Дроссели 26-29 представляют собой один или несколько витков провода, Следует отметить, что остаточные значения емкости в конденсаторах после их разряда на нагрузки очень невелики, поэтому и энер .гия, рассеиваемая токоподводящими проводами, активным сопротивлением индуктивности и тиристорами, также невелика, При работе схемы в первом режиме тиристсьры 31 и 32 не используются, 20Второй режим работы схемы предусматривает стабилизацию уровней энергии, накапливаемой конденсаторами, в каждом цикле, При этом, блок контроля напряже,ния конденсаторов следит за уровнем на пряжения на конденсаторах при их разряде на импульсную нагрузку, Как только напряжение на одном из конденсаторов становится равным нулю, от блока дешифратора 21 поступают сигналы управления на 30 тиристоры 22-25, тиристоры отпираются и остаточные заряды всех остальных трех конденсаторов рассеиваются в короткозамкнутой цепи. В этом режиме работы в ка честве управляемых 22-25 можно исполь-З 5 зовать тиристоры, так как схема не допус. кает перезаряда конденсаторов.Для стабилизации уровня энергии, запасаемой конденсаторами при их заряде, который зависит не только от величины емкости, 40 но и от колебаний напряжения и частоты, источника относительно номинальной, в схему введец ключевой ограничитель 30 амплитуды, выполненный в виде двух соединенных встречно-параллельно тиристоров 31 и 32, при этом управляющие входы тиристоров подключены к выходу ячейки временного сдвига импульсов,Схема стабилизации энергии, запасаемой конденсаторами, работает следующим 50 образом.Предварительно выбирается минимально возможное напряжение заряда конденсатора. Другими словами, при любых допустимых колебаниях напряжения и частоты источника при резонансном заряде конденсатора схема обеспечивает его заряд до минимально возможного напряжения. Блок контроля напряжения конденсаторов следу 117 10ет за -уровнем напряжения конденсатора при его заряде, Как только оно достигает минимально допустимого значения, подаечся управляющий импульс на тиристор 31, который отпирается и шунтирует дроссель.При этом нарушаются усповия резонансного заряда конденсатора и его заряд прекращается, так как напряжение источника значительно меньше напряжения на конденсаторе.Если производится заряд конденсаторов 10 и 13, которые заряжаются при прохождении отрицательной волны напряжения, то для стабилизации уровня напряжения заряда конденсаторов 10 и 13 необходимо использовать тиристор 32, шунтирующий дроссель 2 в обратном направлении.гПолная энергия, записанная в четырех конденсаторах, будет равна учетверенному значению энергии одного конденсатора, который зарякается резонансным путем рт источника переменного тока, при максимальном допустимом отрицательном от- клонении но напряжению и частоте относительно номинальных значений. При этом естественно, энергия, снимаемая. со всех конденсаторов несколько уменьшается, но, если учесть, что возможные колебания напряжения частоты и величины емкости конденсаторов составляют 1-2%, то общие потери энергии невелики. Формула изобретения 1. Устройство для заряда накопительных конденсаторов, содержащее источник переменного тока, токоограничиваюший ли-нейный дроссель, вентильно-конденсаторный выпрямитель-умножитель напряжения, подключенный к импульсной нагрузке, уп-равляемые вентили и бпок контооля напряжения и управления управляемыми вентипями, о т л й ч а ю щ е е с я тем, что, р целью повышения удельных энергетических показателей, вентильно-конденсаторных выпрямитель-умножитель напряжения выполнен в виде четырех соединенных параллельно ячеек, каждаяиз которых образована двумя вклоченными согласно вентилями, соединенными друг с другом через конденсатор, аноды управляемых вентилей первой и второй ячеек и катоды неуправляемого вентиля третьей и управляемого вентиля четвертой ячеек через токоограничивающий линейный дроссель подключены к одной клемме, а катоды неуправляемого вентиля первой управляемого вентиля второй и анодов управляемых вентилей11 7381 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 конденсатором, катод управляемого вентили третьей ячейки соединен с анодом управляемого вентиля четвертой ячейки, соединенного с конденсатором, и катод управ ляемого вентиля второй ячейки соединен 10 с анодом дополнительного управляемого вентиля, катод которого соединен с анодом неуправляемого вентиля третьей ячейки, в свою очередь точка соединения катода управляемого вентиля и конденсато ра в четвертой ячейке подключена к положительной клемме, а анод неуправляемого вентиля первой ячейки соединен с отрицательной клеммой генератора мощных импульсов, причем управляющие входы уп-гО "равляемых вентилей подключены к выхо ду ячейки временного, сдвига импульсов, выполненной например, на кольцевом счет.,чике и дешифраторе.2 Устройство по п. 1, о т л и ч а - 25 ю щ е е с я тем, что, с целью стабилизации уровня энергии в нагрузке, парал 17 12лельно каждому из конденсаторов вентильно-конденсаторных ячеек включены цепочкииз соединенных последовательно дополнительно введенных управляемого вентиляи дросселя, причем аноды дополнительно,введенных управляемых вентилей подключены к катодам управляемых вентилей впервой и второй вентильнь-конденсаторнойячейках непосредственно, в третьей и четвертойчерез дополнительно введенныйдроссель, а параллельно токоограничивающему линейному дроссеню включен дополнительно введенный ключевой ограничительамплитуды, выполненный в виде двух соединенных встречно-параллельно управщемых вентилей, при этом управляющие входы дополнительно введенных управляемыхвентилей подключены к выходу ячейкивременного сдвига импульсов.Источники информайииюпринятые во внимание при экспертизе1, Патент США И 3461849,кл. 321-15, 1969.2. Авторское свидетельство СССРМ 362435, кл. Н 03 К 3/57, 1973738117 874/10Тираж 995 Подпи ЦНИИПИ Государственного комитета ССС ло делам. изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д.