устройство заряда емкостных накопителей энергии

ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ ТА АВТОМАТИЗАЦІЯ
УДК 621.314
УСТРОЙСТВО ЗАРЯДА ЕМКОСТНЫХ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ
БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ ПРИВОДОВ ЭЛЕКТРОАППАРАТОВ
Гилев А.А.
Севастопольский национальный технический университет
Данилов В.Н.
ООО «Инвеста», г. Севастополь
Введение. В настоящее время для питания быстродействующих приводов электрических аппаратов
широкое применение находят емкостные накопители энергии (ЕНЭ), которые позволяют получить импульсы тока большой амплитуды (10 кА и
выше) [1]. При значительной величине запасаемой
энергии и ограниченном времени заряда возникает
вопрос об определении минимально необходимой
мощности источника питания, обеспечивающего заряд ЕНЭ за требуемое время.
Традиционная схема заряда накопительной емкости представлена на рис. 1.
1
2
3
Материал и результаты исследований. Для
решения сформулированной выше задачи представляется целесообразным использовать для заряда
ЕНЭ однотактного преобразователя с обратным
включением выпрямительного диода.
Предлагаемая схема заряда ЕНЭ представлена на
рис. 2.
VD5
W1
VD1-VD4
~220В
50Гц
Cф
W2
C
Uc
VD1-VD4
VT
4
CУ
Рисунок 2 - Предлагаемая схема заряда ЕНЭ
Схема работает следующим образом. Система
управления (СУ) обеспечивают поочередное отпирание и запирание полевого транзистора VT. Трансформатор TV накапливает энергию в сердечнике в
период открытого состояния транзистора VT и протекания тока через первичную обмотку W1. В это
время диод VD5 оказывается запертым приложенным к нему напряжением с обмотки W2. При запирании транзистора VT напряжения, индуцируемое
магнитным потоком на обмотке W2 меняет знак и
начинает быстро нарастать по абсолютному значению.
Когда напряжение на обмотке W2 достигает значения, равного напряжению Uс на емкости диод
VD5 отпирается и конденсатор начинает заряжаться
далее, замедляя дальнейший рост индуцируемого
напряжения.
В данной схеме транзистор VT и диод VD5 отпираются поочередно, причем транзистор всегда работает в ключевом режиме, независимо от состояния заряда емкостного накопителя С. Это обеспечивает нечувствительность схемы к режиму короткого
замыкания в цепи нагрузки, что дает возможность
избавиться от балластного резистора.
Предлагаемая схема позволяет заряжать емкостной накопитель с минимальным временем заряда и
максимальным КПД. В период времени от 0 до tраз
система управления формирует управляющие сигналы для транзистора VT, обеспечивающие работу
преобразователя на максимальной частоте (20...25
кГц).
Рисунок 1- Общепринятая схема заряда ЕНЭ:
1 - силовой трансформатор; 2 - выпрямительный
мост; 3- балластный резистор; 4- накопительная
емкость
Балластное сопротивление используется для
ограничения максимального тока заряда при работе
на разряженную емкость.
Основным недостатком зарядных выпрямителей
с активным токоограничивающим сопротивлением
является низкий коэффициент полезного действия
заряда. Если процесс заряда осуществляется от источника постоянного напряжения и параметр зарядной цепи удовлетворяет соотношению Rб2  С  4 L ,
где L - эквивалентная индуктивность обмоток
трансформатора и соединительных проводов, то
КПД не может превышать 50% [2].
Кроме того в связи с необходимостью обеспечения автоматического повторного включения (АПВ)
выключателя, к цепи заряда ЕНЭ предъявляется дополнительное требование длительности процесса
заряда конденсатора, при котором время переходного процесса не должно превышать 0,3 с (длительность первой паузы АПВ).
Наличие в цепи заряда активного сопротивления
Rб ведет к снижению интенсивности роста напряжения Uс.
Цель работы – разработка импульсного устройства заряда емкостных накопителей энергии для
обеспечения высокого КПД и минимизации времени
заряда.
Вісник КДПУ. Випуск 4/2006 (39). Частина 1
60
ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ ТА АВТОМАТИЗАЦІЯ
При достижении UC=Uзад. преобразователь переходит в ждущий режим и одиночными импульсами
зарядного тока компенсирует саморазряд емкостного накопителя или его разряд по цепям управления.
На рис. 3 представлена система управления зарядным устройством.
Благодаря тому, что преобразователь работает на
достаточно высокой частоте, это позволяет значительно улучшить массогабаритные показатели
трансформатора по сравнению с традиционной схемой.
Применяемый полевой транзистор с изолированным затвором обладает хорошими ключевыми свойствами из-за отсутствия запаздывания вследствие
рассасывания неосновных носителей и минимальными затратами на управление им, что значительно
упрощает выходные цепи системы управления преобразователями.
Выводы. Описанная выше схема заряда емкостных накопителей энергии быстродействующих приводов электрических аппаратов по сравнению с традиционной обладает следующими преимуществами:
- обеспечение режима АПВ аппаратами с приводами, питающимися от ЕНЭ;
- повышение КПД зарядного устройства;
- снижение массо-габаритных показателей силового
трансформатора.
+15 В
R3
100к
R1
10к
8 4
7
к затвору полевого транзистора
3
R2
1,2к
С1
4н7
D1
6
2
VD1 КС191
VT1
1
5
R4
100
С2
10н
VD2
R5 1к
С3
47 мкФ
+
Wo.c
Рисунок 3 - Принципиальная схема системы
управления зарядного устройства
Cхема управления с помощью интегрального
таймера D1 формирует последовательность импульсов, открывающих ключевой транзистор преобразователя. Количество витков обмотки обратной связи
(Wо.с.) рассчитано так, что при достижении напряжения +2000В на накопительной емкости, стабилитрон VD1 пробивается и открывшийся транзистор
VT1 блокирует формирование импульсов управления на время, определяемое величинами импульсов
R5 и С3 (постоянная времени цепи ОС). Таким образом осуществляется стабилизация напряжения на
накопительной емкости.
Графики тока и напряжения будут иметь вид,
представленный на рис. 4.
ЛИТЕРАТУРА
1. Копачков А.Р. К вопросу о стабилизации тока
заряда емкостного накопителя индукционнодинамического привода синхронного выключателя
высокого напряжения // Электричество, — 1987,
№2. С. 8-13.
2. Воробьев А.А. и др. КПД зарядки емкостного
накопителя // Из. вуз. Электромеханика, — 1968,
№12. С. 1303-1310.
Iс,
А
t, мс
а)
Uс,
В
t, мс
б)
Рисунок 4 - Графики зарядного тока (а) и
напряжения (б) на конденсаторе при использовании
предлагаемого преобразователя
Стаття надійшла 25.04.2006р.
Рекомендована до друку
д.т.н., проф. Родькіним Д.Й.
Вісник КДПУ. Випуск 4/2006 (39). Частина 1
61