Зарядные устройства для импульсных энергоемких конденсаторов


PDF версия

В статье рассмотрены простые, надежные и недорогие устройства для заряда импульсных конденсаторов сверхвысокой энергоемкости до 460 Ф с рабочим напряжением до 64 В. Выведены основные расчетные соотношения. Приведены примеры расчета.

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 Uсэс. 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 Uсэс. 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.

Зарядное устройство с балластным сопротивлением

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 Еип — выходное напряжение ИП; t — текущее время; τ = RбCик — постоянная времени зарядного контура; Rб — 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 uк(t) и iк(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 Тз и примем, что Тз = 3τ. 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 Тз/τ.
В зависимости от назначения ЗУ может быть принято и другое отношение Тз/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 = Тз = 3τ равным Uк.зар, из выражения (1) получаем:

 

uк(t) = Uк.зар = Eип(1 – e–3 ) = 0,95 Еип;

 

Еип = 1,05 Uк.зар.                  (3)

 

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

iк(t) = Iк.max = Еип/Rб.                (4)

Окончательные выражения для текущих значений uк(t) и iк(t) в области t = 0—Tз имеют следующий вид:

uк(t) = 1,05 Uк.зар (1– e–t/τ);          (5)

iк(t) = Iк.maxe–t/τ.                        (6)

Из этих выражений находим формулы для расчета тока в конце заряда (при t = Тз) Iк.зар, а также Rб и Тз:

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

Rб =1,05 Uк.зар /Iк.max;                (8)

Тз = 3τ = 3,15 Сик Uк.зар/Iк.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 Iк.mах, а затем за время заряда ИК плавно снижается по экспоненте до значения Iк.зар. Напряжение на конденсаторе возрастает по экспоненте от 0 до Uк.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:

Pип.max = Еип·Iк.max = 1,05 Uк.зар.·Iк.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 Rб за время заряда ИК:

 

(17)

  

КПД зарядного устройства с балластным сопротивлением:

η = Wк/Wип = 0,476.               (18)

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

Пример расчета 1

Необходимо рассчитать параметры устройства для заряда ИК емкостью 100 Ф до Uк.зар = 28 В.
1. Принимаем Iк.mах = 60 А и по формуле (8) рассчитываем: Rб =1,05·28/60 = 0,49 Ом.
2. По формуле (3) рассчитываем необходимое выходное напряжение ИП: Еип = 1,05·28 = 29,4 В.
3. По формуле (9) рассчитываем время заряда ИК: 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: Iк.зар = 0,05·60 = 3 А; Iк.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 Rб.
6. По формулам (15) — (17) рассчитываем энергию, отдаваемую ИП во внешнюю цепь, энергию, запасаемую в ИК, и энергию, рассеиваемую в Rб за время заряда ИК. Результаты расчетов приведены в таблице 1.

 

Таблица 1. Расчетные параметры зарядных устройств (Сик = 100 Ф, Uк.зар = 28 В)

Тип ЗУ

Параметры ЗУ

С балластным сопротивлением

Со стабилизатором тока

Тз, с

147

140

Iк.mах (начальный), А

60

20

Iк.зар (конечный), А

3

20

Iк.ср, А

19,2

20

Еип, В

29,4

30

Рип. ср, Вт

559

600

Рип. max, Вт

1764

600

Рк. ср, Вт

266

280

ΔРR. ср (ΔРРЭ. ср), Вт

293

320

Wип, кДж

82,3

84

Wк, кДж

39,2

39,2

ΔWR, (WРЭ), кДж

43,1

44,8

КПД

0,476

0,467

 

Зарядное устройство с транзисторным стабилизатором тока

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 Еип .
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 uк(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 Iк.стаб:

 

iк(t) = Iк.стаб = const.     (19)          

 

Текущее значение переходного напряжения на ИК:

 

(20)

 

Графики изменения uк(t) и iк(t) приведены на рисунке 3б. При включении ЗУ зарядный ток быстро нарастает до значения Iк.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 Uк.зар. Напряжение на регулирующем элементе СТ уменьшается от Еип до минимального значения ΔUРЭmin в конце заряда ИК. Это напряжение определяется выбранным током Iк.стаб и числом транзисторных каскадов регулирующего элемента. При числе каскадов, равном 2–4, ΔUРЭmin должно быть не менее (1,5–4) В. Сле­до­ватель­но, выходное напряжение ИП:

Eип = Uк.зар. + ΔUРЭmin.          (21)

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

Тз = Сик·Uк.зар /Iк.стаб.               (22)

Среднее значение мощности ИП, необходимой для заряда ИК:

Рип.ср = Еип·Iк.стаб.                 (23)

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

 

(24)

 

 ΔРРЭ.ср = РИП.ср – Рк.ср = (ЕИП – 0,5Uк.зар)·Iк.стаб.           (25)

Максимальная энергия, отдаваемая ИП за время заряда ИК:

WИП = ЕИП·СИК·Uк.зар.             (26)

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

 

(27)

 

 ΔWРЭ = WИП – Wк = (ЕИП – 0,5Uк.зарИК·U2к.зар.       (28)

КПД зарядного устройства:

η = Wк /WИП = 0,5Uk.зар/ЕИП.          (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).

Пример расчета 2

Принимаем исходные данные примера 1.
1. Выбираем Uк.стаб = 20 А и ΔUРЭ min = 2 В и по формуле (21) находим: Еип = 28 + 2 = 30 В.
2. По формуле (22) находим время заряда ИК: Тз = 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.

Выводы

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.

ЛИТЕРАТУРА
1. Автомобильные импульсные конденсаторы сверхвысокой энергии//Справочный лист. Псковский завод радиодеталей. — Плескава, 2009.
2. Микроэлектронные системы. При­менение в радиоэлектронике/Ю. Конев, Г. Гулякович, К. Полянин и др. Под ред. Ю. Конева. — М.: Радио и связь, 1987.
3. Атабеков Г. Теоретические основы электротехники. Ч 1. — М., Л.: Энергия, 1966.
4. Шуваев Ю. Стабилизатор постоянного тока//Авторское свидетельство

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *