початок розділу Виробничі, аматорські радіоаматорські Авіамодельний, ракетомодельного Корисні, цікаві	хитрощі майстру електроніка фізика технології винаходи	таємниці космосу таємниці Землі таємниці Океану хитрощі Карта розділу
Використання матеріалів сайту дозволяється за умови посилання (для сайтів - гіперпосилання)

ВИНАХІД
Патент Російської Федерації RU2279748

ПРИСТРІЙ ДЛЯ ЗАРЯДУ НАКОПИЧУВАЛЬНОГО КОНДЕНСАТОРА

Ім'я винахідника: Мещеряков Віктор Миколайович (RU); Коваль Олексій Анатолійович
Ім'я патентовласника: ЛИПЕЦЬКА державного технічного університету (ЛДТУ)
Адреса для листування: 398600, г.Ліпецк, вул. Московська, 30, ЛДТУ, НІС
Дата початку дії патенту: 2005.03.09

Винахід відноситься до імпульсної техніки і стосується ємнісних накопичувачів електричної енергії. Воно може бути використано при здійсненні способів так званого «повільного» заряду протягом декількох періодів напруги живлення, для заряду ємнісних накопичувачів електричної енергії (ЕНЕЕ), генераторів потужних імпульсів. Суть винаходу полягає в тому, що токоогранічівающе-дозуючі елементи виконані у вигляді котушок індуктивності, бруківці перетворювач виконаний у вигляді автономного інвертора напруги на замикаються ключах, до виходів трифазного джерела живлення додатково підключені входи трифазного датчика напруги, виходи якого підключені до одних входів блоку управління , входи трифазного мостового перетворювача додатково з'єднані з входами датчиків струму фаз, виходи яких з'єднані з іншими входами блоку управління, до виходу трифазного мостового перетворювача підключений датчик напруги ємнісного накопичувача, вихід якого з'єднаний з іншим входом блоку управління, до іншого входу блоку управління підключений вихід блоку завдання величини напруги накопичувача, ще до одного входу блоку управління підключений вихід блоку завдання темпу заряду накопичувача. В результаті представлене пристрій забезпечує технічний результат - високу швидкість заряду ємнісного накопичувача до напруги перевищує амплітуду лінійної напруги мережі на кілька порядків. Принципи побудови системи управління дозволяють реалізувати в широкому діапазоні плавне регулювання швидкості заряду ємнісного накопичувача, при цьому з мережі споживається струм практично синусоїдальної форми, а використання індукторів замість токоогранічівающе-дозуючих конденсаторів підвищує надійність пристрою.

ОПИС ВИНАХОДИ

Винахід відноситься до імпульсної техніки і стосується ємнісних накопичувачів електричної енергії. Воно може бути використано при здійсненні способів так званого «повільного» заряду протягом декількох періодів напруги живлення, для заряду ємнісних накопичувачів електричної енергії (ЕНЕЕ), генераторів потужних імпульсів.

Відомо пристрій для заряду ємнісного накопичувача енергії, що містить трифазний джерело змінного струму з трьома висновками, ємнісний накопичувач енергії, перший дозуючий конденсатор, другий дозуючий конденсатор, одна обкладка якого пов'язана з першим висновком трифазного джерела змінного струму, зарядний тиристор, катод якого підключений до першого висновку ємнісного накопичувача, чотири вентиля, анод першого вентиля з'єднаний з однією обкладкою першою дозуючого конденсатора, катод другого пов'язаний з третім висновком трифазного джерела змінного струму, анод третього підключений до другого висновку трифазного джерела змінного струму і блок управління системою, перший, другий і третій висновки якого пов'язані з першим, другим і третім висновками відповідно трифазного джерела змінного струму, а четвертий і п'ятий його висновки з керуючим переходом зарядного тиристора, додаткове постачання лінійним дроселем з двома висновками і відведенням від частини витків його обмотки, перший висновок якого підключений до іншого обкладанні другого дозирующего конденсатора, другий висновок до другого висновку ємнісного накопичувача, а відвід до анода другого вентиля, в якості першого, третього і четвертого вентилів застосовані тиристори, анод зарядного тиристора підключений до іншого обкладанні першого дозуючого конденсатора і до катода третього вентиля-тиристора, катод першого вентилятора тиристора пов'язаний з другим виводом лінійного дроселя, анод четвертого вентиля-тиристора з'єднаний з третім висновком трифазного джерела змінного струму, а його катод з анодом першого вентиля-тиристора, шостий і сьомий висновки блоку управління системою підключені до керуючого переходу першого вентиля-тиристора, восьмий і дев'ятий його висновки до керуючого переходу третього вентиля-тиристора, десятий і одинадцятий висновки до керуючого переходу четвертого вентиля-тиристора, дванадцятий і тринадцятий висновки до першого і другого висновків ємнісного накопичувача, а чотирнадцятий і п'ятнадцятий висновки до однієї й іншої обкладкам другого дозуючого конденсатора [1 ].

Недоліки цього пристрою полягають в наступному: по-перше, воно забезпечує заряд ємнісного накопичувача до порівняно низької напруги (низькі питомі енергетичні показники); по-друге, низька швидкість накопичення енергії, а й відсутність плавного регулювання в широкому діапазоні швидкості (темпу зростання напруги на обкладках накопичувального конденсатора) заряду; по-третє, споживання з мережі струму з високим коефіцієнтом несинусоїдальності; по-четверте, схемне рішення пристрою не дозволяє створювати гнучку швидкодіючу систему управління.

Найбільш близьким за технічною сутністю до даного винаходу є пристрій для заряду ємнісного накопичувача енергії, що містить трифазний джерело змінного струму з трьома вихідними клемами, трифазний двонапівперіодний бруківці тиристорний випрямляч з двома вихідними клемами для підключення накопичувального конденсатора і трьома вхідними клемами, кожна з яких через токоогранічівающе- дозуючий конденсатор підключена до вихідних клем джерела змінного струму і блоку контролю напруги і фазового управління тиристорами мостового випрямляча, забезпечено додатковим тиристором, а блок контролю напруги і фазового управління тиристорами додатковим виходом, який підключений до керуючого електрода, катода тиристора і однією з вхідних клем згаданого випрямляча , при цьому позитивна вихідна клема випрямляча з'єднана з анодом цього тиристора [2].

Недоліки це пристрої: по-перше, обмеженість застосування в зв'язку з тим, що воно забезпечує заряд ємнісного накопичувача до напруги, в 3 рази перевищує амплітуду лінійної напруги джерела, що свідчить про низькі питомих енергетичних показниках (тобто відношення потужності, енергії до масі пристрою заряду); по-друге, відсутність плавного і в широкому діапазоні регулювання швидкості заряду ємнісного накопичувача; по-третє, незадовільна форма споживаного з мережі живлення струму; по-четверте, наявність менш примхливих в експлуатації токоогранічівающе-дозуючих конденсаторів.

Технічний результат винаходу полягає в тому, що, пристрій для заряду накопичувального конденсатора, що містить трифазний джерело живлення, виходи якого підключені до одних висновків трьох токоогранічівающе-дозуючих елементів, інші висновки яких підключені до входів трифазного мостового перетворювача, виходи якого підключені до накопичувального конденсатору, блок управління, виходи якого з'єднані з керуючими входами трифазного мостового перетворювача, що відрізняється тим, що, токоогранічівающе-дозуючі елементи виконані у вигляді котушок індуктивності, бруківці перетворювач виконаний у вигляді автономного інвертора напруги на замикаються ключах, до виходів трифазного джерела живлення додатково підключені входи трифазного датчика мережевого напруги, виходи якого підключені до одних входів блоку управління, входи трифазного мостового перетворювача додатково з'єднані з входами датчиків струму фаз, виходи яких з'єднані з іншими входами блоку управління, до виходу трифазного мостового перетворювача підключений датчик напруги ємнісного накопичувача, вихід якого з'єднаний з іншим входом блоку управління, до іншого входу блоку управління підключений вихід блоку завдання величини напруги накопичувача, ще до одного входу блоку управління підключений вихід блоку завдання темпу заряду накопичувача.

На фіг.1 наведена структурна схема пристрою для заряду накопичувального конденсатора; на фіг.2 - принципова силова схема пристрою в першому такті роботи; на Фіг.3 - схема заміщення пропонованого пристрою, яка пояснює його роботу в першому такті; на фіг.4 - схема заміщення пристрою, яка пояснює його роботу в другому такті; на фіг.5 - структурна схема блоку управління, на фіг.6 - графіки, отримані в результаті моделювання роботи пристрою.

Структурна схема пристрою для заряду накопичувального конденсатора по фіг.1 містить: трифазний джерело змінного струму 1 з трьома вихідними клемами 2, 3 і 4, до яких приєднані входи датчика трифазного напруги мережі 5, виходи якого заведені на входи блоку управління (БУ) 6, вихідні клеми джерела змінного струму і приєднані до одних висновків відповідних фазних індукторів 7 (фаза А), 8 (фаза В), 9 (фаза с), інші висновки індукторів 7, 8 і 9 з'єднані з одними висновками датчиків струму 10, 11 і 12 (реалізація зворотного зв'язку по струму), виходи яких заведені на інші входи БО 6, інші висновки датчиків струму 10, 11, і 12 підключені до входу автономного трифазного інвертора напруги (АІН) 13, виконаного на повністю керованих ключах (IGBT транзистори) 14, 17, 19, 21, 23 і 25 із зворотними діодами 15, 16, 18, 20, 22 і 24, до вихідних клем інвертора 26 і 27 підключений ємнісний накопичувач 28, обкладки якого приєднані до входів датчика напруги накопичувача 29, з виходу якого сигнал відповідний напрузі накопичувача надходить в БО 6, в БО 6 надходять і сигнали завдання величини напруги накопичувача з блоку 30 і темпу заряду накопичувача з блоку 31.

Розгляд роботи пристрою слід проводити, розбираючи два такту роботи

Перший такт зі складанням таблиць силовій схемі пристрою (див. Фіг.2) і схемою заміщення (див. Фіг.3). Для спрощення опису приймемо що, конденсатор 28 вже заряджений через зворотні діоди ключів (ланцюг струму заряду, а отже, діоди, які беруть участь в перехідному процесі заряду, визначаються миттєвими значеннями фазних напруг мережі, в момент підключення АІН 13 до мережі змінного струму). Результатом перехідного процесу стане наявність на обкладинках конденсатора 28 напруги, потенціал якого вище, ніж амплітудні значення лінійної напруги мережі і протікання струму через зворотні діоди неможливо. З цього моменту процесом заряду накопичувальної ємності управляє БО 6.

БО 6 управляє пристроєм з виконанням пріоритетних вимог:

- Споживання з мережі струмів з формою, максимально наближеною до синусоїдальної;

- Коефіцієнт потужності пристрою, близький до одиниці;

- Можливість забезпечення максимально можливого швидкодії процесу накопичення енергії в накопичувачі.

Розберемо процес накопичення енергії, за початок приймемо момент часу t _1, відповідний моменту зміни знака напруги фази А з негативної напівхвилі на позитивну.

За фіг.3 розглянемо перший такт роботи пристрою.

БО 6 формує керуючі імпульси на відкриття транзисторів 17, 19 і 25. У результаті утворюються ланцюга для протікання системи трифазних струмів i ₂ (t), i ₃ (t), i ₄ (t).

За фіг.3 ланцюгом для струму i ₂ є 2-7-17-27-28-26-19-8-3, таким чином напруга конденсатора 28 виявляється включеним згідно з лінійною напругою u ₂₃ (t) (тут і далі пунктиром зображено елемент, через який струм не протікає) і, як наслідок, перехідний процес по току i ₂ (t) характеризується його зростанням. Цей процес можна описати рівняннями:

де С - ємність накопичувального конденсатора 28;

_i A (t) = i ₂ (t) миттєве значення струму фази А;

_R A - активний опір індуктора 7 фази А;

_L A - індуктивність індуктора 7 фази А;

_L B - індуктивність індуктора 8 фази В;

_R B - активний опір індуктора 8 фази В;

_u AB (t) = u ₂₃ (t) - лінійне напруга мережі між фазами АВ.

На Фіг.3 показана ланцюг протікання струму i ₄ (t) 4-9-25-27-28-26-19-8-3, таким чином напруга конденсатора 28 виявляється включеним згідно з лінійною напругою _U BC, як наслідок, перехідний процес по току i ₄ (t) характеризується його зростанням. Цей процес можна описати рівняннями:

де _i C (t) = _i A (t) миттєве значення струму фази С;

_L C - індуктивність індуктора 9 фази С;

_R C - активний опір індуктора 9 фази С;

_u BC (t) = u ₃₄ (t) - лінійне напруга мережі між фазами ВС.

За фіг.3 ланцюгом для струму i ₃ (t) є дві паралельні гілки струмів i ₂ (t) і i ₄ (t), тому миттєве значення струму i ₃ (t) дорівнює сумі цих струмів:

Похідні фактичних струмів фаз досить високі, в результаті вони перевищать заданий струм, БО 6 відпрацює на зменшення струму фаз, а саме відключить ключі 17, 19 і 25. Цей момент позначений як t _2.

З цього моменту припиняється ріст струмів фаз, а енергія магнітного поля, накопичена в магнітному полі індукторів 7, 8 і 9, починає підтримувати струм в тому ж напрямку. Напрямок струмів для фаз збережеться, але при цьому зміниться ланцюг їх протікання в АІН. В цьому випадку ланцюгами для передачі енергії магнітного поля індукторів є зворотні діоди ключів.

Розглянемо другий такт роботи пристрою (див. Фіг.4).

На фіг.4 показана ланцюг для протікання струму i ₂ (t) 2-7-15-26-28-27-20-8-3, таким чином напруга конденсатора 28 виявляється включеним зустрічно лінійному напрузі u ₂₃ (t), як наслідок, перехідний процес по току i ₂ (t) характеризується його зменшенням. Цей процес можна описати рівняннями:

За фіг.4 ланцюгом для струму i ₄ (t) є 4-9-22-26-28-27-20-8-3, таким чином напруга конденсатора 28 виявляється включеним зустрічно лінійному напрузі _U BC, як наслідок, перехідний процес але току i ₄ (t) характеризується його зменшенням. Цей процес можна описати рівняннями:

За фіг.4 ланцюгом для струму i ₃ (t) є дві паралельні гілки струмів i ₂ (t) і i ₄ (t), тому миттєве значення струму i ₃ (t) дорівнює сумі цих струмів за виразом (5).

Процес заряду накопичувальної ємності 28 супроводжується зниженням струмів нижче заданих величин, БО 6 працює на збільшення струмів фаз, при цьому видає сигнали на відкриття ключів 17, 19, і 25, далі процеси повторюються.

Енергетично процес накопичення електричної енергії в ємнісному накопичувачі є такі послідовні процеси: перший такт - накопичення енергії в магнітному полі індукторів 7, 8 і 9, другий такт - віддача цієї енергії в накопичувач 28, тобто перетворення енергії магнітного поля індукторів 7, 8 і 9 в енергію електричного поля конденсатора 28. За ці два такту в конденсаторі збільшиться запасені енергія на величину:

де _U C - збільшення напруги на обкладках конденсатора 28.

У наступному такті накопичення енергії в магнітному полі індукторів 7, 8 і 9 попереднє збільшення _U C до напруги конденсатора 28 призведе до збільшення похідних струмів , Що в подальшому такті віддачі призведе до збільшення віддається енергії магнітного поля індукторів 7,8 і 9. Наступне збільшення _U C впливає на процес аналогічним чином і так далі.

Таким чином, накопичення характеризується процесом «розкачки» системи індукторів 7, 8 і 9 накопичувача 28, в якому кожен попередній такт накопичення підживлює наступний. Це дозволяє зробити висновок про можливість полупериодного збільшення амплітуд струмів фаз:

де _I m - приріст амплітуд фазних струмів.

У цьому пристрої застосований принцип накопичення з незмінними амплітудами фазних струмів, при цьому функціональна залежність напруги ємності від часу _u C (t) близька до гіперболи. Задана амплітуда струмів фаз визначає темп зростання _u C (t). У цьому випадку максимально можлива напруга накопичувального конденсатора, а й максимальна швидкість накопичення визначаються допустимими характеристиками елементів схеми пристрою, таких як максимально допустимий струм транзисторів, частота комутацій, максимально допустима напруга на ємності і т.д.

Розглянемо роботу БО 6 (див. Фіг.5). БО 6 контролює поточне значення напруги на обкладках накопичувальної ємності 28, порівнюючи сигнал, пропорційний цьому напрузі _u Ck (t), що надходить на вхід 32, із заданою величиною U ^*_C, що надходить на вхід 33, в блоці порівняння 34 визначається різниця (U ^*_{C -u Ck} (t)). Вихід блоку 34 приєднаний до входу релейного блоку 35, в якому відбувається формування логічного сигналу блокування подачі керуючих імпульсів ключів АІН і відключення режиму накопичення на підставі порівняння вхідної величини із заданою уставкой. Вихід блоку 35 заведений в СІФУ АІН 36. Темп заряду визначається величиною амплітуди струмів фаз, сигнал пропорційний амплітуді надходить з блоку 31 на вхід 37 БО 6. Формування заданих фазних струмів виконується по трьох паралельних гілках. Розглянемо канал управління струмом фази А. Завданням для кожного ланцюжка є завдання амплітуди струмів _I m 37, яке надходить на входи блоків множення 38, 39 і 40. На другий вхід блоку 38 приходить сигнал з виходу блоку перетворення 41, на вхід 42 якого надходить сигнал пропорційний напрузі фази А. Коефіцієнтом блоку 41 є ставлення

де _U m.oc. - Амплітуда сигналу зворотного зв'язку фазної напруги.

В результаті на виході блоку 41 буде отримано сигнал:

Т.ч. на виході блоку 38:

Вихід блоку 38 приходить на вхід блоку порівняння 43, в якому величина заданого струму порівнюється зі зворотним зв'язком по струму 44 _i 2ist (t).

Вихід блоку 43 надходить в СІФУ АІН 36.

Аналогічно працюють канали струмів i ₃^* (t), i ₄^* (t).

При побудові БО 6 на базі мікропроцесорної техніки досягається висока швидкодія, точність, універсальність і адаптивність пристрою, що значно розширює сферу його застосування.

На фіг.6 представлені результати моделювання трифазного керованого ємнісного накопичувача з використанням програми MatLab R12 6.0 в пакеті Simulink 4.0 з розширенням Power System Blockset.

За фіг.6 за час моделювання 0,1 с напруга на обкладинках конденсатора ємністю 1000 мкФ, перевищило амплітуду фазних напруг більш ніж в 20 разів, при цьому з мережі споживався практично синусоїдальний струм (час некерованого самовільного заряду ємності в результаті перехідного процесу незначно, воно становить близько 25% від напівперіоду напруги живлення).

Таким чином, заміна токоогранічівающе-дозуючих конденсаторів на індуктори підживлення і використання замість тиристорів в трифазному двопівперіодним мостовому керованому випрямлячі замикаються ключів і включеними паралельно з ними зворотними діодами привела до зміни принципу накопичення енергії в накопичувачі на відміну від прототипу. В результаті представлене пристрій забезпечує високу швидкість заряду ємнісного накопичувача до напруги перевищує амплітуду лінійної напруги мережі на кілька порядків, що свідчить про високі питомих енергетичних показниках. Принципи побудови БО 6 дозволяють реалізувати в широкому діапазоні плавне регулювання швидкості заряду ємнісного накопичувача, при цьому з мережі споживається струм практично синусоїдальної форми, а використання індукторів замість токоогранічівающе-дозуючих конденсаторів підвищує надійність пристрою.

ДЖЕРЕЛА ІНФОРМАЦІЇ

1. Пристрій для зарядки накопичувального конденсатора. Додотченко В.В., Миколаїв А.Г., Бистров В.К .; RU № 2071167 C1, 6 Н 03 К 3/53 1996.

2. Спосіб заряду ємнісного накопичувача електричної енергії та пристрої для його здійснення (варіанти). Миколаїв А.Г., Бистров В.К .; RU № 2218654 С2, Н 02 М 7/162, 2003.

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

Пристрій для заряду накопичувального конденсатора, що містить трифазний джерело живлення, виходи якого підключені до одних висновків трьох токоогранічівающе-дозуючих елементів, інші висновки яких підключені до входів трифазного мостового перетворювача, виходи якого підключені до накопичувального конденсатору, блок управління, виходи якого з'єднані з керуючими входами трифазного мостового перетворювача, що відрізняється тим, що токоогранічівающе-дозуючі елементи виконані у вигляді котушок індуктивності, бруківці перетворювач виконаний у вигляді автономного інвертора напруги на замикаються ключах, до виходів трифазного джерела живлення додатково підключені входи трифазного датчика напруги, виходи якого підключені до одних входів блоку управління , входи трифазного мостового перетворювача додатково з'єднані з входами датчиків струму фаз, виходи яких з'єднані з іншими входами блоку управління, до виходу трифазного мостового перетворювача підключений датчик напруги ємнісного накопичувача, вихід якого з'єднаний з іншим входом блоку управління, до іншого входу блоку управління підключений вихід блоку завдання величини напруги накопичувача, ще до одного входу блоку управління підключений вихід блоку завдання темпу заряду накопичувача.

Версія для друку
Дата публікації 07.02.2007гг

НОВІ СТАТТІ ТА ПУБЛІКАЦІЇ
	Технологія виготовлення універсальних муфт для бесварочного, безрезьбовиє, бесфлянцевого з'єднання відрізків труб в трубопроводах високого тиску (мається відео)
	Технологія очищення нафти і нафтопродуктів
	Про можливість переміщення замкнутої механічної системи за рахунок внутрішніх сил
	Світіння рідини в тонких діелектричних каналох
	Взаємозв'язок між квантової і класичної механікою
	Міліметрові хвилі в медицині. Новий погляд. ММВ терапія
	магнітний двигун
	Джерело тепла на базі нососних агрегатів