Зарядные устройства для импульсных энергоемких конденсаторов

Импульсные конденсаторы сверхвысокой энергоемкости (ИК) представляют собой накопители энергии с малым внутренним сопротивлением и служат для получения мощных импульсов тока. Предварительно заряженные ИК совместно с аккумуляторной батареей (АБ) используются в системах запуска различных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) [1]. Другая область применения — бортовые системы энергоснабжения (СЭС) постоянного тока космических комплексов, самолетов, судов и других объектов. Здесь ИК используются в качестве буферных элементов для ограничения пусковых токов различных потребителей энергии при их работе от АБ совместно с солнечными батареями или от электромашинного генератора ограниченной (соизмеримой) мощности, а также для подавления импульсных перенапряжений и провалов напряжения в системе энергоснабжения [2]. ИК предназначены для эксплуатации в режиме многократных зарядов и разрядов.
Применение для запуска ДВС комбинированной системы, состоящей из АБ и ИК, позволяет снизить ток, потребляемый от АБ, на 30–50%, что увеличивает срок службы батареи в 2–3 раза, а кроме того позволяет повысить надежность запуска двигателя при понижении и повышении температуры окружающей среды. Кроме того, обеспечивается возможность применения АБ, разряженной на 40–50% от номинальной емкости, а также использования АБ, имеющей номинальную емкость в 1,5–2 раза меньшую, чем рекомендовано для данного типа ДВС.
Отечественные производители выпускают ИК емкостью 20…460 Ф, рассчитанные на номинальное напряжение 14…64 В, запасаемую энергию 9…56 кДж и с внутренним сопротивлением 0,005…0,01 Ом. Например импульсные конденсаторы типа ИКЭ 40/28 имеют емкость 100 Ф, номинальное напряжение 28 В, энергоемкость 40 кДж и внутреннее сопротивление 0,005 Ом.
Особенностью ИК является то, что перед подключением незаряженного конденсатора большой емкости к СЭС, его необходимо предварительно зарядить до рабочего напряжения системы энергоснабжения U_сэс. Это объясняется тем, что из-за низкого внутреннего сопротивления ИК при его непосредственном подключении к зажимам источника питания возникает большой бросок тока, который может вывести из строя как источник питания, так и ИК. Для предварительного заряда ИК применяются различные зарядные устройства (ЗУ), подключенные к выходу источника питания (ИП) постоянного тока. Для заряда ИК могут быть использованы основной ИП системы энергоснабжения объекта, основной ИП с вольтодобавочным устройством (ВДУ) или дополнительный (специальный) ИП, входящий в СЭС. Чтобы сократить время заряда ИК, напряжение на входе ЗУ целесообразно выбирать выше, чем U_сэс. В качестве специального ИП и ВДУ могут быть использованы как нестабилизированные, так и стабилизированные источники питания постоянного тока различного типа.
Функциональные схемы трех вариантов СЭС, содержащих ИК и ЗУ, представлены на рисунках 1а, б, в. Система энергоснабжения, схема которой представлена на рисунке 1а, например СЭС автомобиля, содержит основной ИП (АБ), ВДУ, ЗУ, ИК, ограничитель напряжения, а также коммутирующие элементы. (В СЭС автомобиля входит также электромашинный генератор, который на рисунке 1а не показан). С выходом ИП через выключатель SA1 связан вход ВДУ, к выходным выводам которого подключено ЗУ. Токовые выводы ИК через нормально замкнутые контакты контактора КМ1 подключены к выходу ЗУ, а через нормально разомкнутые контакты КМI связаны с положительным выходным выводом ИП. К выходу ИП через выключатели SA2–SAN подключено (N–1) потребителей энергии. Вход ограничителя напряжения подключен к выводам ИК, а его выход — к обмотке контактора КМ1.

а)

б)

в)

Рис. 1. Функциональные схемы систем энергоснабжения с импульсным конденсатором: а) с основным источником питания и вольтодобавочным устройством; б) с основным источником питания; в) с основным и дополнительным источниками питания (ИП — источник питания постоянного тока; SA1 — входной выключатель; ВДУ — вольтодобавочное устройство; ЗУ — зарядное устройство; КМ1 — контактор; ОН — ограничитель напряжения импульсного конденсатора; ИК — импульсный конденсатор; ПЭ — потребители энергии)

Схема работает следующим образом: в начальный момент времени ИК не заряжен, выключатель SA1 разомкнут, и контакты контактора КМ1 находятся в исходном состоянии. При замыкании выключателя SA1 ВДУ и ЗУ включаются, и происходит заряд ИК. По достижении на нем соответствующего заданного напряжения срабатывает ограничитель напряжения и с помощью контактора КМ1 отключает заряженный ИК от ЗУ и подключает его к выводам ИП. ИК готов к неоднократному использованию.
В схеме СЭС, представленной на рисунке 1б, используется основной ИП без ВДУ. Схема СЭС на рисунке 1в отличается от предыдущих тем, что в ней для заряда ИК используется не основной ИП с ВДУ, а дополнительный (специальный) ИП, выходное напряжение которого выше, чем выходное напряжение СЭС. Отметим, что могут быть использованы и другие функциональные схемы подключения ИК и ЗУ к СЭС объекта.
Если в состав СЭС входит стабилизированный ИП, его выходное напряжение может быть повышено до необходимого для заряда ИК уровня изменением уставки стабилизатора, а после окончания процесса заряда конденсатора оно может быть уменьшено до прежнего значения. ИК может быть заряжен и подключен к СЭС сразу после ее включения или непосредственно перед включением потребителей энергии, имеющих большой пусковой ток.
Зарядные устройства, входящие в систему энергоснабжения, могут быть выполнены по различным схемам. В настоящей работе рассмотрены непрерывные простые, надежные и недорогие ЗУ:
– с балластным сопротивлением;
– с транзисторным стабилизатором тока.
Отметим, что все ЗУ работают короткое время только при пуске аппаратуры (в течение 1–3 мин) и потребляют небольшое количество энергии, поэтому нет необходимости усложнять их и делать ключевыми. Выбор удельных нагрузок элементов ЗУ по току и мощности необходимо проводить с учетом кратковременного или повторно-крат­ковременного режима работы устройства.

Это самое простое ЗУ, оно представляет собой набор резисторов, имеющих необходимое суммарное сопротивление и допустимую рассеиваемую мощность. Схема устройства представлена на рисунке 2. Оно состоит из балластного резистора R6, ограничителя напряжения и коммутирующих элементов — выключателя SA1 и контактора КМ1. Ограничитель напряжения содержит транзистор VT1, в коллекторную цепь которого включена обмотка контактора КМ1, источник опорного напряжения (ИОН) на стабилитроне VD1 и резисторный делитель напряжения (ДН) — резисторы R3, R4, R5. Эквивалентная схема ЗУ приведена на рисунке 2б.

а)

б)

в)

Рис. 2. Зарядное устройство с балластным сопротивлением: а) схема устройства; б) эквивалентная схема; в) графики переходных процессов uк(t) и iк(t) при зарядке ИК (ИП — источник питания; ИК — импульсный конденсатор; ОН — ограничитель напряжения; Rб — балластное сопротивление; SA1 — выключатель; КМ1 — контактор; ИОН — источник опорного напряжения; ДН — резисторный делитель напряжения)

До включения SA1 ИК не заряжен, транзистор VT1 закрыт, и контактор КМ1 находится в исходном состоянии. После включения SA1 начинается заряд ИК. Когда напряжение на нем достигнет заданного значения, ограничитель напряжения с помощью контактора КМ1 отключает ИК от ИП и подключает его к зажимам СЭС.
При проектировании и расчете ЗУ заданными являются емкость ИК и его зарядное напряжение, равное рабочему напряжению СЭС, а также условия эксплуатации объекта и число зарядно-разрядных циклов в единицу времени (час, рабочая смена, сутки). На основании этих данных выбирается максимальное или среднее значение зарядного тока. В результате расчета следует определить время заряда ИК, сопротивление балластных резисторов и их необходимую мощность рассеяния, выходное напряжение ИП, его среднюю и максимальную мощность, а также энергетические показатели ЗУ.
При заряде ИК текущее значение напряжения на нем и ток зарядного контура определяются следующими известными выражениями [3]:

(1)

(2)

где Е_ип — выходное напряжение ИП; t — текущее время; τ = R_бC_ик — постоянная времени зарядного контура; R_б — сопротивление балластного резистора (внутренним сопротивлением ИП и ИК пренебрегаем); Cик — емкость импульсного конденсатора.
Как известно, ток в RC-контуре и напряжение на конденсаторе нарастают по экспоненциальному закону, причем переходный процесс теоретически длится бесконечно долго. Кроме того, выражения для u_к(t) и i_к(t) являются трансцендентными уравнениями, из которых без упрощения невозможно в явном виде получить аналитические формулы для расчета параметров элементов схемы и электрические и энергетические соотношения между ними. Для упрощения задачи ограничим время переходного процесса заряда конденсатора Т_з и примем, что Т_з = 3_τ. При этом uк(t) не доходит до установившегося значения и составляет от него 0,95. При таком подходе вывод расчетных соотношений проводится для конкретного отношения Т_з/τ.
В зависимости от назначения ЗУ может быть принято и другое отношение Т_з/τ. Расчетные соотношения в этом случае выводятся аналогично и будут отличаться от нижеприведенных только числовыми коэффициентами. Приняв напряжение на ИК в конце заряда при t = Т_з = 3τ равным U_к.зар, из выражения (1) получаем:

u_к(t) = U_к.зар = E_ип(1 – e^–3 ) = 0,95 Е_ип;

Е_ип = 1,05 U_к.зар.                  (3)

Задавшись максимальным (начальным) значением зарядного тока при t = 0 равным I_к.mах, из выражения (2) получаем:

i_к(t) = I_к.max = Е_ип/R_б.                (4)

Окончательные выражения для текущих значений u_к(t) и i_к(t) в области t = 0—T_з имеют следующий вид:

u_к(t) = 1,05 U_к.зар (1– e^–t/τ);          (5)

i_к(t) = I_к.maxe^–t/τ.                        (6)

Из этих выражений находим формулы для расчета тока в конце заряда (при t = Т_з) I_к.зар, а также R_б и Т_з:

I_к.зар = 0,05 I_к.max;                    (7)

R_б =1,05 U_к.зар /I_к.max;                (8)

Т_з = 3τ = 3,15 С_ик U_к.зар/I_к.max.       (9)

На рисунке 2в показаны кривые переходных процессов напряжения на ИК при его заряде и тока зарядного контура. При включении ЗУ зарядный ток изменяется скачком от 0 до I_к.mах, а затем за время заряда ИК плавно снижается по экспоненте до значения I_к.зар. Напряжение на конденсаторе возрастает по экспоненте от 0 до U_к.зар. Большой начальный скачок зарядного тока является недостатком ЗУ с балластным сопротивлением.
Среднее значение тока за время заряда ИК:

(10)

Приведем выражения для расчета мощности элементов ЗУ и энергии, потребляемой ими за время заряда ИК. Среднее значение мощности, потребляемой ЗУ от ИП за время заряда:

(11)

 Максимальная (мгновенная) мощность, потребляемая ЗУ от ИП в начале заряда:

P_ип.max = Е_ип·I_к.max = 1,05 U_к.зар.·I_к.max. (12)
Среднее значение мощности, затрачиваемой на заряд ИК:

(13)

 Среднее значение мощности, рассеиваемой в Rб за время заряда ИК:

(14)

 Энергия, отдаваемая ИП во внешнюю цепь за время заряда ИК:

(15)

Энергия, накопленная в электрическом поле ИК:

(16)

Энергия, рассеиваемая в R_б за время заряда ИК:

(17)

КПД зарядного устройства с балластным сопротивлением:

η = W_к/W_ип = 0,476.               (18)

Анализ приведенных формул показывает, что для уменьшения времени заряда ИК необходимо увеличить I_к.mах (I_к.ср) и соответственно — мощность ИП и наоборот, при уменьшении I_к.mах T_з увеличивается.

Необходимо рассчитать параметры устройства для заряда ИК емкостью 100 Ф до U_к.зар = 28 В.
1. Принимаем I_к.mах = 60 А и по формуле (8) рассчитываем: R_б =1,05·28/60 = 0,49 Ом.
2. По формуле (3) рассчитываем необходимое выходное напряжение ИП: Е_ип = 1,05·28 = 29,4 В.
3. По формуле (9) рассчитываем время заряда И_К: Тз = 3,15·28/60 = 147 с.
4. По формулам (7), (10) рассчитываем значение тока в конце заряда и среднее значение тока за время заряда ИК: I_к.зар = 0,05·60 = 3 А; I_к.ср = 0,32·60 = 19,2 А.
5. По формулам (11) — (14) рассчитываем среднее и максимальное значения мощности ИП, затрачиваемой на заряд ИК, и мощности, рассеиваемой в R_б.
6. По формулам (15) — (17) рассчитываем энергию, отдаваемую ИП во внешнюю цепь, энергию, запасаемую в ИК, и энергию, рассеиваемую в R_б за время заряда ИК. Результаты расчетов приведены в таблице 1.

Схема ЗУ с транзисторным стабилизатором тока (СТ) приведена на рисунке 3. Устройство состоит из указанного транзисторного непрерывного СТ, а также ограничителя напряжения, выключателя SA1 и контактора КМ1, включенных по одной из схем, приведенных на рисунке 1. Стабилизатор тока содержит непрерывный регулирующий элемент, выполненный в виде составного транзистора, собранного на транзисторах разного типа проводимости, VТЗ–VТ5; датчик тока нагрузки (ДТ); резистор R5; усилитель постоянного тока (УПТ) на транзисторе VТ1; ИОН на стабилитроне VD1; резисторный делитель напряжения (ДН), резисторы R1–R3, и согласующий транзистор VT2 [4]. Конденсаторы С1, С2 служат для обеспечения устойчивости СТ при отключении ИК от его выходных зажимов. Стабилизатор тока может быть выполнен и по другой принципиальной схеме.

а)	б)
Рис. 3. Зарядное устройство с транзисторным стабилизатором тока: а) схема устройства; б) графики кривых переходных процессов uк(t) и iк(t) при заряде ИК (ИП — источник питания; SA1 — выключатель; ИК — импульсный конденсатор; ОН — ограничитель напряжения; КМ1 — контактор; РЭ — регулирующий элемент стабилизатора тока; ДТ — датчик тока нагрузки; ДН — резисторный делитель напряжения; ИОН — источник опорного напряжения)

Устройство работает следующим образом: перед его включением СТ не работает, и его регулирующий элемент закрыт, контактор КМ1 находится в исходном состоянии, и разряженный ИК отключен от зажимов СЭС. При включении SA1 включается СТ, его выходной ток быстро нарастает и начинается заряд ИК стабильным током. Когда напряжение на ИК достигнет заданного значения, ограничитель напряжения подает напряжение на обмотку контактора КМ1, последний срабатывает, отключает ИК от СТ и подключает его к зажимам СЭС. При этом если ИК по каким-либо причинам не отключается от СТ по достижении заданного напряжения или, если это напряжение равно выходному напряжению ИП (при питании ЗУ от основного ИП), то его заряд продолжается, и напряжение на нем достигает значения, близкого к Е_ип .
Как и в предыдущем случае, заданными являются параметры ИК, а из условий эксплуатации ЗУ и ИК выбираются выходной ток СТ или время заряда ИК и производится расчет неизвестного параметра. После проектирования и расчета СТ проводится расчет выходного напряжения ИП, а также мощности всех элементов ЗУ и рассеиваемой ими энергии.
При включении источника питания ИК разряжен, напряжение на нем u_к(t) равно нулю и все напряжение Еип прикладывается к регулирующему элементу СТ. После выхода СТ на режим текущее значение зарядного тока ИК равно выходному стабилизированному току СТ I_к.стаб:

i_к(t) = I_к.стаб = const.     (19)          

Текущее значение переходного напряжения на ИК:

(20)

Графики изменения u_к(t) и i_к(t) приведены на рисунке 3б. При включении ЗУ зарядный ток быстро нарастает до значения I_к.стаб и удерживается на этом уровне стабилизатором тока все время заряда ИК. В процессе заряда ИК напряжение на нем возрастает по линейному закону от 0 до U_к.зар. Напряжение на регулирующем элементе СТ уменьшается от Е_ип до минимального значения ΔU_РЭmin в конце заряда ИК. Это напряжение определяется выбранным током I_к.стаб и числом транзисторных каскадов регулирующего элемента. При числе каскадов, равном 2–4, ΔU_РЭmin должно быть не менее (1,5–4) В. Сле­до­ватель­но, выходное напряжение ИП:

E_ип = U_к.зар. + ΔU_РЭmin.          (21)

Отметим, что при питании ЗУ от основного ИП СЭС, т.е. при Е_ип = U_сэс конденсатор будет заряжаться до напряжения немного меньшего, чем U_сэс, и при подключении его к зажимам СЭС будет происходить подзаряд ИК до напряжения U_сэс непосредственно от основного ИП, минуя ЗУ, с соответствующим сравнительно небольшим броском зарядного тока.
По окончании заряда ИК при t = Т_з; u_к(t) = U_к.зар, следовательно:

Т_з = С_ик·U_к.зар /I_к.стаб.               (22)

Среднее значение мощности ИП, необходимой для заряда ИК:

Р_ип.ср = Е_ип·I_к.стаб.                 (23)

Средняя мощность, рассеиваемая в ИК и регулирующем элементе СТ за время заряда ИК, соответственно равны:

(24)

 ΔР_РЭ.ср = Р_ИП.ср – Р_к.ср = (Е_ИП – 0,5U_к.зар)·I_к.стаб.           (25)

Максимальная энергия, отдаваемая ИП за время заряда ИК:

W_ИП = Е_ИП·С_ИК·U_к.зар.             (26)

Энергия, запасаемая в ИК, и энергия, рассеиваемая в регулирующем элементе СТ за время заряда ИК, соответственно равны:

(27)

 ΔW_РЭ = W_ИП – W_к = (Е_ИП – 0,5U_к.зар)С_ИК·U²_к.зар.       (28)

КПД зарядного устройства:

η = W_к /W_ИП = 0,5U_k.зар/Е_ИП.          (29)

На основании этих соображений и приведенных формул проводится расчет и выбор параметров ЗУ, ИП, а также расчет размеров теплоотводящих радиаторов для транзисторов регулирующего элемента (если они необходимы).

Принимаем исходные данные примера 1.
1. Выбираем U_к.стаб = 20 А и ΔUРЭ min = 2 В и по формуле (21) находим: Е_ип = 28 + 2 = 30 В.
2. По формуле (22) находим время заряда ИК: Т_з = 100·28/20 = 140 с.
3. По формулам (23) — (29) рассчитываем мощность элементов ЗУ, энергию, рассеиваемую в них за время заряда ИК, и КПД ЗУ. Результаты расчетов приведены в таблице 1.
Электрические схемы ЗУ, изображенные на рисунках 2 и 3, были проверены экспериментально. При учете разброса параметров ЭРИ, примененных в устройствах, результаты испытаний отличаются от расчетных не более, чем на 3–5%, что вполне допустимо для устройств подобного вида.

В таблице 1 приведены расчетные значения параметров двух видов устройств, предназначенных для заряда ИК емкостью 100 Ф до заданного напряжения 28 В. Их анализ показывает, что при примерно равных значениях времени заряда и выходного напряжения ИП, применяемого для заряда ИК, среднее значение тока, потребляемого от ИП, а также энергия, отдаваемая им за время заряда, отличаются незначительно. Основные отличия рассмотренных ЗУ заключаются в форме кривых зарядного тока и напряжения на ИК в процессе его заряда. На основании этого анализа может быть сделан выбор вида и расчет параметров ЗУ, которое обеспечит необходимый режим заряда ИК, а также совместимость электрических и эксплуатационных характеристик ИК, ИП и ЗУ.