УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОГРАНИЧЕНИЯ ЗАРЯДНОГО ТОКА КОНДЕНСАТОРА НАГРУЗКИ

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для ограничения зарядного тока конденсатора, в частности для ограничения зарядного тока конденсатора, подключенного к входу инвертора.

Известно устройство для ограничения зарядного тока конденсатора, (http://electrum-av.com/ru/, Новиков П.А. Плавный заряд емкости: что выбрать? Рис. 1).

Известное устройство для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки состоит из резистора, подключенного между источником питания и конденсатором нагрузки, реле с замыкающим контактом, подключенным параллельно резистору, и системы управления, обеспечивающей срабатывание реле при увеличении напряжения на конденсаторе нагрузки до заданного уровня или по прошествии определенного времени с момента включения.

Недостатки устройства обусловлены тем, что катушка реле в основном режиме работы устройства остается подключенной к сети, что снижает ресурс ее работы и увеличивает вероятность отказа.

Известно устройство для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки, наиболее близкое по технической сущности к заявляемому устройству. (http://electrum-av.com/ru/, Новиков П.А. Плавный заряд емкости: что выбрать? Рис. 3) - прототип.

Известное устройство для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки состоит из ключа, силовые выводы которого подключены между первым выводом источником питания и первым выводом конденсатора нагрузки, а второй вывод источника питания подключен ко второму выводу конденсатора нагрузки непосредственно, и блока управления, выход которого подключен к управляющему выводу ключа. При включении источника питания система управления в соответствии с заданным алгоритмом генерирует импульсы управления, что вызывает периодическое замыкание ключа и постепенный заряд конденсатора нагрузки с соответствующим ограничением значения зарядного тока.

Недостаток известного устройства для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки обусловлен тем, что у него не контролируются импульсные значения тока заряда в интервалах проводимости ключа. Вместе с тем, при сочетании процесса заряда конденсатора нагрузки с возможными случайными изменениями напряжения источника питания в виде выбросов напряжений ограничение тока заряда будет отличаться от запрограммированного, и амплитуда импульсов тока на отдельных интервалах коммутации может превысить допустимое значение.

В основу заявляемого изобретения поставлена задача устранить указанный недостаток, т.е. ввести ограничение тока заряда, за счет чего повысить надежность устройства, а также дополнительно ввести функцию защиты от токов перегрузки в установившемся режиме работы после окончания заряда конденсатора.

Поставленная задача решается тем, что в устройство для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки, содержащее источник напряжения постоянного тока, ключ и блок управления, выход которого соединен с управляющим входом ключа, а первый вывод источника напряжения постоянного тока соединен с первым выводом ключа, дополнительно введены устройство задания тока, датчик тока, реактор, диод и блок временной задержки, при этом второй вывод ключа соединен через реактор с первой клеммой для подсоединения конденсатора нагрузки, второй вывод источника напряжения через датчик тока подсоединен ко второй клемме для подключения конденсатора нагрузки, выход устройства задания тока подключен к первому входу блока управления, а выход датчика тока через блок временной задержки подсоединен ко второму входу блока управления, причем между вторым выводом ключа и вторым выводом источника напряжения постоянного тока подключен диод катодом ко второму выводу ключа.

В заявленном устройстве для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки общими существенными признаками для него и для его прототипа являются:

- источник напряжения постоянного тока;

- ключ;

- блок управления;

- выход блока управления соединен с управляющим входом ключа;

- первый вывод источника напряжения постоянного тока соединен с первым выводом ключа.

Сопоставительный анализ существенных признаков заявленного устройства для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки и его прототипа показывает, что первый в отличие от прототипа имеет следующие отличительные признаки:

- введен датчик тока, подключенный между вторым выводом источника напряжения постоянного тока и второй клеммой для подключения конденсатора нагрузки;

- введено устройство задания тока, выход которого подсоединен к первому входу блока управления;

- введен блок временной задержки, через который выход датчика тока подсоединен ко второму входу блока управления;

- введен реактор, подключенный между вторым выводом ключа и первой клеммой для подключения конденсатора нагрузки;

- введен диод, подключенный между вторым выводом ключа и вторым выводом источника напряжения постоянного тока катодом ко второму выводу ключа.

Признак: «…введен датчик тока, подключенный между вторым выводом источника напряжения постоянного тока и второй клеммой для подключения конденсатора нагрузки» обеспечивает измерение зарядного тока конденсатора нагрузки.

Признаки «…введено устройство задания тока, выход которого подсоединен к первому входу блока управления, …введен блок временной задержки, через который выход датчика тока подсоединен ко второму входу блока управления» обеспечивают определение в блоке управления рассогласования между заданным значением зарядного тока конденсатора нагрузки и фактическим его значением и поддержание блоком управления заданного уровня ограничения тока, причем блок временной задержки в цепи обратной связи по току между выходом датчика тока и вторым входом блока управления позволяет получить желаемое значение частоты и амплитуды колебаний зарядного тока в переходном процессе заряда конденсатора нагрузки.

Признак «…введен реактор, подключенный между вторым выводом ключа и первой клеммой для подключения конденсатора нагрузки, …введен диод, подключенный между вторым выводом ключа и вторым выводом источника напряжения постоянного тока катодом ко второму выводу ключа» обеспечивает последовательное приращение напряжения на конденсаторе нагрузки в процессе его заряда с ограничением амплитуды импульса тока в интервале проводимости ключа.

На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом, т.е. благодаря данной совокупности существенных признаков изобретения стало возможным решение поставленной задачи - введение ограничения тока заряда, за счет чего повышение надежности устройства, а также дополнительное введение функции защиты от тока перегрузки в установившемся режиме работы после окончания заряда конденсатора.

Указанные существенные признаки, отличающие заявленное устройство для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки от прототипа, в совокупности с признаками, общими для него и прототипа, обеспечивают достижение заявленного технического результата во всех случаях, на которые распространяется объем правовой охраны.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки, на фиг. 2 - графики изменения напряжения на конденсаторе нагрузки и тока нагрузки, снятые в процессе натурного эксперимента.

Устройство для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки от источника 1 напряжения постоянного тока содержит ключ 2, блок 3 управления, устройство 4 задания тока, блок 5 временной задержки, датчик 6 тока, реактор 7, диод 8 и клеммы 9, 10 для подключения конденсатора нагрузки, при этом первый вывод источника 1 соединен с первым выводом ключа 2, второй вывод ключа 2 через реактор 7 соединен с первой клеммой 9 для подключения конденсатора нагрузки, второй вывод источника 1 через датчик 6 тока соединен со второй клеммой 10 для подключения конденсатора нагрузки, выход устройства 4 задания тока соединен с первым входом блока 3 управления, выход датчика 6 тока через блок 5 временной задержки соединен со вторым входом блока 3 управления, а выход блока 3 управления подключен на управляющий вход ключа 2, причем между вторым выходом источника 1 и вторым выводом ключа 2 подсоединен диод 8 катодом ко второму выводу ключа 2.

Устройство для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки работает следующим образом.

При включении источника 1 напряжения постоянного тока в начальный момент времени ток в цепи заряда конденсатора меньше установленного уровня ограничения, следовательно, ключ 2 находится в замкнутом состоянии. Начинается увеличение тока, причем скорость его изменения ограничивается за счет сглаживающего действия индуктивности реактора 7. Измеренное значение I_Т зарядного тока с выхода датчика 6 тока через блок 5 временной задержки поступает на второй вход блока 3 управления, где сравнивается с заданным уровнем I_ЗТ ограничения зарядного тока, который поступает на первый вход блока 3 управления с выхода устройства 4 задания тока.

В результате в зависимости от знака рассогласования Δ=I_ЗТ-I_Т происходит автоколебательное переключение ключа 2. Задержка сигнала обратной связи по току, осуществляемая в блоке 5, вызывает увеличение рассогласования А, при котором происходит коммутация ключа 2, и, вместе с тем, уменьшает частоту коммутации цепи заряда до желаемого значения. Указанное свойство позволяет обеспечить допустимый диапазон колебаний зарядного тока I_Т относительно уровня заданного ограничения I_ЗТ и уменьшить потери переключения на ключе 2 до желаемого значения в переходном процессе заряда конденсатора нагрузки.

В интервале проводимости ключа 2 ток I_Т заряда конденсатора нагрузки протекает от источника 1 постоянного тока через открытый ключ 2 и реактор 7, что вызывает приращение напряжения на конденсаторе нагрузки при ограничении скорости нарастания тока за счет сглаживающего действия индуктивности реактора 7. В интервале паузы ключа 2 энергия реактора 7 разряжается через конденсатор нагрузки и диод 8, причем в каждом интервале осуществляется измерение мгновенного значения тока I_Т датчиком 6 тока. С каждым последующим импульсом коммутации напряжение на конденсаторе нагрузки увеличивается и при равенстве напряжения источника 1 и напряжения на конденсаторе процесс переключения ключа 2 прекращается, при этом ключ 2 остается в замкнутом состоянии.

При возникновении перегрузки источника 1 или короткого замыкания в цепи нагрузки процесс ограничения тока происходит аналогично, т.е. при увеличении потребляемого тока I_Т от источника 1 и достижении его значением установленного уровня ограничения I_ЗТ возникает автоколебательный режим переключения ключа 2 с автоматической регулировкой скважности так, что потребляемый от источника 1 ток поддерживается в пределах отклонения Δ=I_ЗТ-I_Т от уровня установленного ограничения. При снятии перегрузки устройство автоматически возвращается в стационарный рабочий режим.

На фиг. 2 представлен снимок экрана осциллографа с изображением переходного процесса подключения устройства к источнику 1 напряжения постоянного тока, где I(t) и U(t) - графики изменения от времени зарядного тока и напряжения на конденсаторе нагрузки соответственно. Момент включения обозначен t₀, момент времени t₁ соответствует завершению автоколебательного режима работы ключа с ограничением зарядного тока значением I_мах, с момента времени t₂ устройство переходит в стационарный режим с установившемся токам I₀, соответствующим подключенной нагрузке устройства, а напряжение на конденсаторе достигает установившегося значения U₀, равного напряжению источника питания.