Зарядное устройство емкостного накопителя энергии
BATTERY CHARGER FOR CAPACITIVE ENERGY STORAGE DEVICE

Изобретение относится к зарядным устройствам (ЗУ) емкостных накопителей энергии (ЕНЭ) и может быть использовано в высоковольтных электрофизических установках большой мощности с высоким уровнем накапливаемой энергии.
В настоящее время в таких установках широко применяются транзисторно-конденсаторные ЗУ, построенные на базе преобразователей повышенной частоты с резонансным характером процессов в силовых контурах, что дает возможность использовать собственную индуктивность согласующего высоковольтного трансформатора в качестве активного элемента резонансного контура. Дозированный метод передачи энергии в таких устройствах из питающей сети в ЕНЭ позволяет достаточно просто регулировать скорость зарядки и обеспечить параметрическое ограничение тока (выходной мощности) в случае возникновения аварийных режимов в выходных цепях.
Известны транзисторно-конденсаторные зарядные устройства повышенной частоты на основе последовательных резонансных инверторов, которые могут быть выполнены по мостовой и полумостовой схеме [1…3].
и
ср
max
max
ср
max
Недостаток таких устройств состоит в том, что для них характерна значительная неравномерность потребления из сети тока и мощности и, как следствие, низкое значение коэффициента использования [2, 4] первичного источника электропитания k=P/P=0,5, где Р, Р - соответственно, максимальное и среднее значение активной мощности, потребляемой ЗУ на цикле зарядки ЕНЭ. В электрофизических установках большой мощности с высоким уровнем накапливаемой энергии это ведет к увеличению установленной мощности первичного источника электропитания и его стоимости. Кроме того, при соизмеримости максимальной мощности ЗУ Р и мощности первичного источника электропитания такой характер потребления энергии в режиме периодического повторения зарядных циклов приводит к пульсациям напряжения первичного источника (сети), что снижает надежность работы других потребителей [4].
Этого недостатка лишено зарядное устройство с дозирующими конденсаторами [2], выбранное в качестве прототипа. Устройство содержит источник постоянного напряжения, к выходу которого подключен зарядный преобразователь, содержащий два последовательно соединенных дозирующих конденсатора, присоединенных к положительной и отрицательной клемме источника постоянного напряжения, два последовательно соединенных диода, катод первого из которых присоединен к положительной клемме источника постоянного напряжения, а анод второго к отрицательной клемме этого источника, причем общие точки дозирующих конденсаторов и общие точки диодов соединены между собой, два последовательно соединенных транзистора, зашунтированных обратными диодами, коллектор первого из которых присоединен к положительной клемме источника электропитания, а эмиттер второго к отрицательной клемме этого источника, высоковольтный трансформатор, один вывод первичной обмотки которого присоединен к общей точке транзисторов, а второй к общей точке диодов, высоковольтный выпрямитель, вход которого подключен к выводам вторичной обмотки трансформатора, а выход присоединен к емкостному накопителю энергии, устройство управления, формирующее импульсы управления, подаваемые в цепи управления транзисторов.
При периодическом запирании/отпирании транзисторов происходит заряд и разряд дозирующих конденсаторов и дозированная передача энергии от источника постоянного напряжения в ЕНЭ с неизменной величиной дозы, определяемой по формуле:
S
где С - емкость дозирующего конденсатора; U - напряжение источника электропитания.
При постоянной частоте ƒ следования импульсов управления транзисторами мощность, передаваемая в ЕНЭ, постоянна и определяется по формуле (2):
1
где η - КПД зарядного устройства; Р - мощность, потребляемая ЗУ от источника электропитания.
max
1
S
Значения мощности Р и P остаются неизменными во времени до момента, пока приведенное к первичной обмотке трансформатора напряжение ЕНЭ не достигнет величины, равной U/2.
и
В результате, практически на всем цикле зарядки ЕНЭ, за исключением относительно короткого, по сравнению с длительностью цикла, начального этапа [2], ЗУ работает в режиме постоянства потребляемой мощности, при этом коэффициент использования источника постоянного напряжения имеет значения k=0,8…0,95.
гр
гр
Недостаток известного устройства состоит в том, что на начальном этапе зарядки пока напряжение ЕНЭ не достигло граничного значения U, коммутация транзисторов ЗУ происходит при ненулевом значении протекающего через них тока [2], и сопровождается значительными коммутационными потерями. Значение U определяется из соотношения (3), приведенного в [2]
где  - соответственно, относительная и абсолютная длительность периода переключения транзисторов ЗУ;  - относительное значение граничного напряжения ЕНЭ, приведенное к первичной обмотке высоковольтного трансформатора; Q - добротность резонансного контура ЗУ.
Коммутация транзисторов ЗУ при ненулевом значении протекающего через них тока приводит к резкому и значительному возрастанию температуры кристалла транзисторов в течение начального этапа зарядки [2]. За счет этого снижается КПД и надежность работы известного устройства. Кроме того, коммутационные процессы приводят к наведению помех в управляющих и информационных сетях как зарядного устройства, так и электрофизических установок, особенно при большом числе одновременно работающих ЗУ в составе мощных электрофизических установок с высоким уровнем энергии, накапливаемой в ЕНЭ, что вызывает сбои в их работе и искажение информации, получаемой в ходе физического эксперимента. Это снижает надежность работы и может приводить к аварийным режимам ЗУ и электрофизических установок в целом, а также к необходимости повторения физических экспериментов, что увеличивает затраты на их проведение, что, в свою очередь, сужает функциональные возможности известного устройства и область его применения.
Предлагаемым изобретением решается задача повышения надежности работы зарядного устройства емкостного накопителя энергии и расширения его функциональных возможностей, что достигается за счет снижения температуры кристалла транзисторов в течение начального этапа зарядки ЕНЭ и повышения уровня электромагнитной совместимости ЗУ на этом этапе.
Указанный технический результат достигается за счет того, что зарядное устройство емкостного накопителя энергии содержит источник постоянного напряжения, два последовательно соединенных дозирующих конденсатора, присоединенных к положительной и отрицательной клемме источника постоянного напряжения, два последовательно соединенных диода, катод первого из которых присоединен к положительной клемме источника постоянного напряжения, а анод второго к отрицательной клемме этого источника, два последовательно соединенных транзистора, зашунтированных обратными диодами, коллектор первого из которых присоединен к положительной клемме источника постоянного напряжения, а эмиттер второго к отрицательной клемме этого источника, высоковольтный трансформатор, один вывод первичной обмотки которого присоединен к общей точке транзисторов, а второй к общей точке конденсаторов, высоковольтный выпрямитель, вход которого подключен к выводам вторичной обмотки трансформатора, а выход присоединен к емкостному накопителю энергии, устройство управления, формирующее импульсы управления, подаваемые в цепи управления транзисторов. Новым является то, что введен управляемый ключ с двухсторонней проводимостью, включенный между общей точкой дозирующих конденсаторов и общей точкой диодов, цепь управления которого присоединена к выходу компаратора, к первому входу которого подключен источник задающего напряжения, а ко второму выход датчика напряжения, вход которого присоединен к выводам емкостного накопителя энергии.
Введение указанных элементов обеспечивает подключение цепи последовательно соединенных диодов параллельно дозирующим конденсаторам, начиная с момента достижения напряжением ЕНЭ граничного значения. До этого момента времени силовая схема ЗУ представляет собой последовательный резонансный инвертор, в котором при выполнении условия Т*≥2 переключение транзисторов происходит при нулевом значении протекающего через них тока, и коммутационные потери в них равны нулю. После этого момента силовая схема представляет собой ЗУ с дозирующими конденсаторами, в котором при напряжении ЕНЭ больше граничного переключение транзисторов ЗУ также происходит при нулевом значении протекающего через них тока, что исключает в них коммутационные потери. Это позволяет исключить значительное возрастание температуры кристалла транзисторов в течение начального этапа зарядки, повысить КПД, надежность работы ЗУ и уровень его электромагнитной совместимости.
На фиг. 1 представлена электрическая схема ЗУ ЕНЭ.
На фиг. 2 приведены временные диаграммы ЗУ ЕНЭ, полученные на имитационной модели предлагаемого устройства.
На фиг. 3 приведены временные диаграммы ЗУ ЕНЭ в увеличенном масштабе времени вблизи момента замыкания ключа.
Разработанное зарядное устройство емкостного накопителя энергии (фиг. 1) содержит источник постоянного напряжения 1, к выходу которого подключены два последовательно соединенных дозирующих конденсатора 2 и 3, а также два последовательно соединенных диода 4 и 5, катод первого из которых присоединен к положительной клемме источника постоянного напряжения 1, а анод второго - к отрицательной клемме этого источника 1. К источнику постоянного напряжения 1 подключены также два последовательно соединенных транзистора 6 и 7, зашунтированных обратными диодами 8 и 9. Коллектор транзистора 6 присоединен к положительной клемме источника постоянного напряжения 1, а эмиттер транзистора 7 - к отрицательной клемме этого источника 1. Устройство содержит также высоковольтный трансформатор 10, выводы первичной обмотки которого присоединены к общей точке транзисторов 6, 7 и к общей точке дозирующих конденсаторов 2, 3. К выводам вторичной обмотки трансформатора 10 присоединен вход высоковольтного выпрямителя 11, выход которого подключен к емкостному накопителю энергии 12. Устройство управления 13, формирующее импульсы управления, подключено к цепям управления транзисторами 6, 7. Общая точка дозирующих конденсаторов 2, 3 и общая точка диодов 4, 5 соединена управляемым ключом 14, обладающим двухсторонней проводимостью. Этот ключ 14 может быть реализован, например, на базе симистора или двух последовательно встречно соединенных транзисторов с обратными диодами [3]. Управляющим сигналом ключа 14 является выходной сигнал компаратора 15, к первому входу которого подключен источник задающего напряжения 16, а ко второму - выход датчика напряжения 17. Вход датчика напряжения 17 присоединен к выводам емкостного накопителя энергии 12.
К
21
ф
гр
На фиг. 2 приведены временные диаграммы ЗУ ЕНЭ, полученные на имитационной модели предлагаемого устройства при параметрах, взятых в качестве примера: напряжение источника постоянного напряжения 1 - 500 В; емкость дозирующих конденсаторов 2, 3 - С=0,5 мкФ; индуктивность рассеяния обмоток высоковольтного трансформатора 10, выполняющая функцию элемента резонансного контура, - L=6,5 мкГн; коэффициент трансформации k=1; емкость накопителя энергии 12 - С=10 мФ; период следования импульсов управления транзисторами 6, 7 - Τ=33 мкс; величина граничного напряжения U - 100 В.
На фиг. 3 приведены временные диаграммы ЗУ ЕНЭ в увеличенном масштабе времени вблизи момента замыкания управляемого ключа 14.
На диаграммах на фиг. 2 и фиг. 3 буквами обозначены: а - кривая тока первичной обмотки трансформатора 10; б - кривая усредненного на периоде Τ тока, потребляемого от источника постоянного напряжения 1; в - кривая приведенного напряжения емкостного накопителя энергии 12.
Принцип работы предлагаемого устройства поясняется диаграммами, приведенными на фиг. 2, 3, и заключается в следующем.
На начальном этапе зарядки емкостного накопителя энергии 12 пока напряжение на его выводах относительно невелико выходное напряжение датчика напряжения 17 меньше задающего напряжения источника 16. При этом выходной сигнал компаратора 15 равен нулю и управляемый ключ 14 не проводит (разомкнут). В этом случае силовая схема ЗУ имеет конфигурацию последовательного полумостового резонансного инвертора, который при условии Т*≥2 работает в режиме постоянства тока зарядки емкостного накопителя 12 и бестоковой коммутации транзисторов 6, 7 [2]. В этом режиме среднее значение тока, потребляемого от источника постоянного напряжения 1, линейно нарастает [1, 2].
гр
ЕНЭ
ЕНЭ
ГР
S
Когда напряжение емкостного накопителя энергии 12 превысит граничное значение U, определяемое по формуле (3), напряжение датчика 17 становится больше задающего напряжения источника 16, на выходе компаратора 15 появляется сигнал высокого уровня, и управляемый ключ 14 включается (замыкается). При этом силовая схема принимает конфигурацию ЗУ с дозирующими конденсаторами [1,2]. Так как напряжение U емкостного накопителя энергии 12 при этом удовлетворяет условию U>U, то ЗУ работает в режиме бестоковой коммутации транзисторов 6, 7 при постоянстве зарядной мощности и среднего значения тока, потребляемого от источника постоянного напряжения 1 до максимального, приведенного к первичной обмотке высоковольтного трансформатора 10, значения напряжения ЕНЭ, равного U.
В результате, в предлагаемом устройстве в течение всего цикла зарядки емкостного накопителя энергии 12 транзисторы 6 и 7 переключаются при нулевом токе, и коммутационные потери в них отсутствуют. Это, как показано в работе [2], позволяет более чем в 4 раза снизить максимальное приращение температуры кристалла транзисторов на начальном этапе зарядки, что повышает КПД и надежность работы предлагаемого устройства. Кроме того исключение коммутационных процессов в транзисторах и связанных с ними электромагнитных помех повышает уровень электромагнитной совместимости ЗУ.
гр
Из временных диаграмм (фиг.2, 3) следует, что на начальном этапе зарядки усредненный на периоде Τ ток, потребляемый от источника постоянного напряжения 1 (кривая б) и, следовательно, мощность, потребляемая ЗУ, линейно возрастают. При достижении напряжением емкостного накопителя энергии 12 граничного значения напряжения U=100 В (кривая в) отпирается управляемый ключ 14 и ЗУ переходит в режим постоянства потребляемого тока и мощности, передаваемой в емкостный накопитель энергии 12.
Из диаграммы тока первичной обмотки трансформатора 10 (кривая а) на фиг. 3 видно, что до и после момента отпирания управляемого ключа 14 включение и выключение транзисторов 6, 7 происходит на интервале бестоковой паузы в силовом контуре, что исключает в них коммутационные потери.
ц
ц
Согласно приведенным на фиг. 2 диаграммам потребляемого тока (кривая б) длительность начального этапа зарядки емкостного накопителя энергии 12 составляет 0,32 Т, где Т - длительность цикла зарядки. В соответствии с этой диаграммой коэффициент использования источника постоянного напряжения будет
Таким образом, величина коэффициента использования источника постоянного напряжения при применении предлагаемого зарядного устройства лежит в пределах, соответствующих прототипу.
Из приведенного описания следует, что применение предлагаемого устройства позволяет исключить коммутационные процессы и значительное возрастание температуры кристалла транзисторов на начальном этапе зарядки емкостного накопителя энергии, что увеличивает его КПД, надежность работы и уровень электромагнитной совместимости.
Все это позволяет, в результате, использовать предлагаемое устройство в мощных высоковольтных электрофизических установках, содержащих значительное число параллельно работающих ЗУ, с уровнем энергии, накапливаемой в ЕНЭ, до сотен МДж, что существенно расширяет его функциональные возможности.
Источники информации
1. Полупроводниковые зарядные устройства емкостных накопителей энергии / О.Г. Булатов, B.C. Иванов, Д.И. Панфилов - М.: Радио и связь, 1986 г. - 160 с. (стр. 43).
2. Копелович Е.А., Хватов С.В., Ваняев В.В., Троицкий М.М., Флат Ф.А. Транзисторно-конденсаторные зарядные устройства мегаджоульных емкостных накопителей энергии. Электротехника, №7, 2010 г. - с. 11-16.
3. Силовая электроника: учебник для вузов / Ю.К. Розанов, М.В. Рябчицкий, А.А. Кваснюк. - М.: Изд. Дом МЭИ, 2007 г. - 632 с. (стр. 466, стр. 384).
4. Кныш В.А. Полупроводниковые преобразователи в системах заряда накопительных конденсаторов - Ленинград: Энергоатомиздат, 1981 г. - 160 с.