Заряд емкостных накопителей от источников тока

В качестве зарядных устройств больших емкостных накопителей широкое применение нашли источники тока, которые обеспечивают линейный рост напряжения во времени на накопителях. Статические внешние характеристики идеальных источников тока могут быть представлены как = const. Источники питания с такими внешними характеристиками в отличие от источников напряжения не существуют в чистом виде, и их приходится создавать искусственно. В качестве источников тока, предназначенных для заряда емкостных накопителей, могут быть применены индуктивно-емкостные преобразователи (ИЕП), которые преобразуют внеш­ние характеристики источников гармонических (синусоидальных) ЭДС во внешние характеристики источников тока. На рис. 6.17 приведена схема прос-

Рис. 6.17

тейшего однофазного ИЕП (так называемая схема Бушеро), принцип работы которого основан на резонансе напряжений в реактивных элементах L и С. Их параметры подобраны таким образом, чтобы

,

где w = 2pf – круговая частота напряжения питающей сети. Режим холостого хода для ИЕП является аварийным, поскольку при бесконечной величине добротности реактивных элементов напряжение холостого хода (напря­жение на зажимах конденсатора С, а также на зажимах катушки индуктивности L) стремится к бесконечности. В реальных устройствах добротности реактивных элементов имеют конечную величину, что несколько ограничивает напряжение холостого хода, но, тем не менее, при отсутствии нагрузки выход ИЕП должен быть закорочен. Ток короткого замыкания ИЕП практически равен току нагрузки, и для схемы Бушеро

.

Такой вид заряда может быть применен только в тех случаях, когда рабочая частота генератора существенно меньше частоты питающей сети, т. е. F << f. После размыкания ключа К ток ИЕП поступает на первичную обмотку согласующего трансформатора Три после выпрямления с помощью двухфазного двухполупериодного выпрямителя VD ток заряда обеспечивает заряд накопителя, причем , где Iср– средний ток заряда.

По достижении напряжением накопителя заданного значения Umaxключ К замыкается и процесс заряда прекращается. За время t = Tзарнакопитель заряжается до напряжения Umax(рис. 6.18) и после некоторой паузы разряжается на нагрузку. Частота коммутаций ключа К равна рабочей частоте генератора, причем ключ должен обладать двусторонней проводимостью.

Рис. 6.18

В качестве такого ключа на практике используют встречно-параллельно включенные тиристоры или симисторы. Поскольку эти полууправляемые вентили работают в цепи переменного тока, их выключение происходит ав­томатически при каждом переходе тока через ноль. В силу этого импульсы управления должны постоянно присутствовать на управляющих электродах данных приборов во время паузы, длительность которой существенно больше длительности периода питающей сети.

В мощных импульсных установках применяются трехфазные ИЕП, обеспечивающие равномерную загрузку трехфазной сети. Ток трехфазных ИЕП после выпрямления имеет малые пульсации, и заряд накопителя производится практически постоянным током. В силу того, что напряжение заряда растет линейно, ошибка в точности стабилизации амплитуды зарядного напряжения с помощью системы управления постоянна во всем диапазоне регулирования.

6.6. Заряд расщепленных емкостных накопителей
с помощью коммутатора зарядного тока

Задача генерирования импульсов тока произвольной регулируемой фор­мы с помощью ОИЛК или РЕН решается созданием систем заряда, обеспечивающих раздельный и регулируемый заряд n емкостей ячеек. Достаточно тривиально эта задача решается при использовании n отдельных и независимых друг от друга регулируемых источников питания. Но недостатки такого прямолинейного решения очевидны, поскольку сложность данного устройства и затраты на реализацию регулируемого и стабилизированного зарядного устройства возрастают практически пропорционально числу каналов заряда.

На рис. 6.19 приведена схема зарядного устройства, лишенного указанных недостатков. В его основе лежит коммутатор зарядного тока (КЗТ), выполненный на полууправляемых вентилях [21].

Рис. 6. 19

Рис. 6.20 поясняется работа КЗТ для случая заряда двух ячеек.

При достижении напряжением заряда емкости С1заданной величины Uc1, которая определяется системой управления сравнением напряжения, снимаемого с делителя (R1– R2, см. рис. 6.19), с уставкой, введенной в систему управления оператором, включается полууправляемый вентиль VS2. Поскольку напряжение на емкости Uc2 = 0, образуется контур гашения вен­тиля VS1, а именно, С1 – VS1 – VS2 – С2. Вентиль VS1закрывается прак­тически мгновенно, так как ток контура гашения ничем не ограничен, и начинается процесс заряда емкости С2. Время восстановления запирающих свойств вентиля VS1определяется временем заряда емкости С2до напряжения, равного Uc1, поскольку на этом отрезке времени к вентилю VS1приложено обратное напряжение Uобр = Uc1– Uc2. Схемное время восстановления (т. е. время, определяемое параметрами элементов схемы) должно

Рис. 6.20

быть больше, чем паспортное время восстановления вентлей. Схемное вре­мя восстановления определяется значением тока заряда, номиналом емкостей и минимальным уровнем напряжения заряда ячеек. Поскольку Iср t = CU, где Iср– среднее значение тока заряда, схемное время восстановления прямо про­порционально значению емкости ячейки, уровню напряжения заряда ячейки и обратно пропорционально среднему значению тока заряда. Последняя емкость РЕН заряжается до напряжения холостого хода ЗУ.

6.7. Энергетика процессов резистивного заряда
расщепленных емкостных накопителей

Более сложной по сравнению с резистивным зарядом одиночного емкостного накопителя является задача определения КПД процесса резистив­ного заряда расщепленного емкостного накопителя для случая произволь­но заданного эпюра зарядных напря­жений UСkи при различных значениях остаточных напряжений Uост k. Схе­ма зарядного устройства РЕН приведе­на на рис. 6.21, где вентили VS1– VSnпредставляют собой коммутатор заряд­ного тока (КЗТ).

Энергия, запасенная в РЕН, у которого все емкости ячеек равны друг другу:

а энергия, потребленная от источника ЭДС,

.

Отсюда КПД резистивного заряда РЕН

Для случая, часто встречающегося на практике (Uост k = 0):

В частности, для случая n = 5 и линейно нарастающего эпюра зарядных напряжений (UС1 = 0,2; UС2 = 0,4; ...; UС5 = 1,0) значение КПД h = 0,37.

Резистивный заряд РЕН, работающего в режиме полного разряда, энер­гетически невыгоден (поскольку предельное значение КПД h = 0,5 достигается в случае полного разряда только при предельном эпюре зарядных напряжений UCk = Е) и может быть использован в относительно маломощных установках. В этой связи проблема заряда РЕН аналогична проблеме заряда одиночного емкостного накопителя, но осложняется еще и тем, что эквивалентная частота зарядных процессов при работе от общего зарядного устройства в n раз выше частоты разряда при поочередном заряде каждой ячейки РЕН от общего зарядного устройства. При одновременном (параллельном) заряде ячеек РЕН требуется n-канальное регулируемое зарядное устройство, что позволяет получить значения КПД, близкие к h = 0,5 при полном разряде РЕН, но усложняет зарядное устройство в целом.

6.8. Резонансно-диодный заряд расщепленных
емкостных накопителей

КЗТ может быть использован и в случае резонансно-диодного заряда [21]. При этом зарядное устройство (ЗУ) представляется в виде источника ЭДС E и последовательно включенной зарядной индуктивности Lзар.

На рис. 6.22 приведена схема такого ЗУ, причем цепи разряда РЕН не показаны. Рассмотрим процессы в этом ЗУ во времени. В общем виде с учетом ненулевых начальных условий ток заряда k-й емкости имеет вид

(6.19)

а напряжение меняется по закону

(6.20)

где Uk(0) – остаточное напряжение k-й емкости; rk = – волновое сопротивление k-го контура; wk = 1/ – собственная частота k-го контура; Ik(0) – начальный ток k-го контура.

В случае, когда все Uk(0) = 0, а заряд секций РЕН производится поочередно до значений Uk = 2Е, максимальное время заряда РЕН

.

Используя формулы (6.19) и (6.20), легко определить временные зависимости токов и напряжений всех емкостей РЕН для Uk £ 2Е. При этом можно получить значения временных интервалов включения вентилей КЗТ, при которых будут обеспечены заданные уровни Uk. На практике, тем не менее, используется не временнόй (по заданным интервалам) закон управ­ления КЗТ, а пороговый, когда вентиль Vk + 1включается в момент достижения на емкости Сkзаданного уровня Uk, определяемого системой управления сравнением Ukс уставкой. Следует особо отметить, что, как будет показано далее, пороговый закон управления позволяет сохранить полную работоспособность зарядного устройства в том случае, когда зарядная индуктивность, обычно изготавливаемая с магнитопроводом, попадает в режим насыщения, поскольку ток заряда может существенно превышать в некоторых режимах максимальное значение Е/rk.

При проектировании систем резонансно-диодного заряда РЕН следует задаться максимальными значениями Uk max, определяемыми параметрами предельного прямоугольного импульса тока нагрузки Iн max. Тогда Emax = = 0,5Uk max. Подразумевается, что в ЗУ выходное напряжение источника может регулироваться в достаточно широких пределах. Поскольку значения Ukзадаются предварительно (исходя из требуемой формы импульса тока нагрузки), необходимо установить такое значение E, при котором момент окончания заряда последней емкости Cnдо заданного значения Unсовпадает с переходом тока заряда in(t) через ноль, т. е. процесс заряда РЕН прекращается при обеспечении заранее заданных уровней напряжения на всех емкостях. Очередность заряда емкостей РЕН может быть выбрана любой.

Используя пороговый закон управления вентилями КЗТ и осуществляя очередность включения вентилей таким образом, что первой заряжается емкость с минимальным заданным уровнем зарядного напряжения, затем в порядке нарастания значений Ukзаряжаются следующие емкости и последней заряжается емкость с максимальным уровнем Un, можно определить значение E как функцию значений Uk. При выполнении условия U1 < U2 < ... < Uk < ... < Unв процессе заряда РЕН ток зарядной индуктивности не спадает до нуля вплоть до окончания процесса заряда всего РЕН. Исходя из этого условия оценим величину напряжения источника питания Е для заданных значений Uk. Поскольку система не имеет потерь, энергия, потребленная от источника Е, всегда равна энергии, запасенной в РЕН:

,

где qk– заряд емкости Ck.

Отсюда

. (6.21)

Установив напряжение E регулируемого источника ЭДС по (6.21), получим заданные уровни напряжений на всех емкостях РЕН, причем нет необходимости использовать дополнительные цепи коммутации зарядного тока. При изменении уровней зарядных напряжений следует изменить и напряжение источника питания Е.

Рассмотрим наиболее тяжелый режим работы зарядного устройства, при котором ток заряда и напряжение на последней заряжаемой емкости могут достигать максимальных значений. Ток заряда отдельной емкости РЕН достигает максимального значения в момент времени tk max, соответствующий нулевому значению напряжения на зарядной индуктивности UL(t) = 0, причем UL(t) = Uk(t) – Е = 0.

Из (6.20), принимая, что Uk(0) = 0, получим:

Время достижения током значения Ik maxпри заряде каждой емкости РЕН tk maxотсчитывается от момента включения соответствующего вентиля VSk:

. (6.22)

Очевидно, что ток Ik maxсоответствует равенству напряжений на (n – 1) емкостях РЕН, т. е. при U1 = U2 = … = Un – 1 = E.

Из зависимостей (6.19) и (6.22) следует, что

. (6.23)

Зависимость (6.23) является рекуррентной формулой, позволяющей получить все значения Ik max. В частном случае (при C1 = C2 = ... = Cnи rk = r)

… … … (6.24)

Поскольку в этом случае зарядный ток достигает максимума, необходимо оценить максимальное напряжение заряда n-й емкости Un max, определяемое к моменту достижения током заряда нулевого значения, т. е.

Тогда

и

(6.25)

Из (6.25) путем преобразований получим:

. (6.26)

Зависимости (6.24) и (6.26) позволяют вычислить максимально возможные токи и напряжения в РЕН, которые будут определять самый тяжелый токовый режим зарядной индуктивности и предельное значение напряжения на емкости, заряжаемой последней, даже в аварийных случаях.

На рис. 6.23 приведены зависимости iL(t) и Uk(t) для n = 4, иллюстрирующие процессы заряда РЕН в этом режиме.

Особый интерес представляет учет нелинейности L = f(i) при заряде РЕН, тем более, что зарядная индуктивность должна оставаться линейной и в предельном режиме, определяемом (6.24). При этом необходимо учитывать, что заряд всех емкостей с номером k > 1 начинается при ненулевом токе зарядной ин­дуктивности.

Тем не менее подход, использованный при доказательстве теоремы 2, позволяет сформулировать и доказать следующую теорему.

Теорема 3. При резонансно-диодном заряде РЕН с нулевым начальным зарядом в случае нелинейной зарядной индуктивности L = f(i) и пороговом законе управления вентилями КЗТ напряжение заряда n-й емкости Unопределяется только уровнем напряжений U1,U2, ..., U(n – 1), напряжением источника E и не зависит от нелинейности зарядной индуктивности при отсутствии потерь в контуре заряда.

Доказательство этой теоремы аналогично доказательству теоремы 2 и базируется на учете того факта, что все уровни Ukзаданы системой управления, кроме уровня Un, определяемого моментом перехода тока заряда через ноль.

Исходя из (6.21), можно записать:

(6.27)

причем

поскольку на момент времени, когда напряжение Un – 1достигло своего заданного значения, имеется еще энергия, запасенная в зарядной индуктивности.

Приняв, что емкости РЕН равны друг другу, запишем (6.27) в следую­щем виде:

Решение этого уравнения:

(6.28)

Выражение под знаком радикала всегда будет больше нуля, так как

Из двух корней квадратного уравнения (6.28) действителен один, со знаком «плюс» перед радикалом, поскольку в выбранной системе отсчета напряжений Ukвсегда положительны.

Зависимость (6.28) является доказательством теоремы 3, поскольку все выкладки велись без учета L = f(i).

При подстановке в (6.28) n = 1 напряжение

что соответствует теореме 2.

Для случая U1 = ... = U(n – 1) = E из (6.28) получим

что соответствует (6.26).

В конечном итоге можно сделать вывод о том, что при проектировании систем резонансно-диодного заряда – как сосредоточенных емкостных накопителей, так и РЕН, – не обязательно жестко выдерживать условие линейности зарядной индуктивности при соблюдении порогового закона управления.

Заключение

B предлагаемой монографии автором в сжатой форме приведены основные результаты работ, которые проводились в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» в течении последних сорока лет (на кафедре "Установки промышленной электроники" (впоследствии кафедра "Электротехнологическая и преобразовательная техника" – ЭТПТ)) в области силовой импульсной техники. В 60-е – 70-е годы предыдущего столетия отсутствовали мощная вычислительная база и специализированные программные средства, позволяющие сравнительно просто решать задачи анализа электромагнитных процессов. Это приводило к необходимости в каждом конкретном случае либо использовать достаточно сложный математический аппарат, либо самостоятельно создавать численные модели для анализа переходных процессов, писать и отлаживать программы вычислений и т. п. Следует отметить, что результатом численного анализа обычно является решение, найденное только для какой-либо конкретной схемы или какого-либо режима работы импульсного генератора, а обобщение этих результатов связано с определенными трудностями.

Исследования проводимые на кафедре ЭТПТ в области силовой импульсной техники изначально были направлены на создание импульсных систем питания радиотехнических устройств, а в последующем – на создание систем питания различных электротехнологических установок. При этом в соответствии с требованиями различных электротехнологий усложнялись задачи, стоящие перед разработчиками импульсных генераторов. Так,возникла необходимость перейти от задач генерирования импульсов тока или напряжения прямоугольной формы с заданными параметрами к задачам генерирования импульсов тока регулируемой длительности, а затем и регулируемой формы. Более сложные задачи требовали создания оригинальных схемных решений как непосредственно самих формирователей импульсов, так и различных (в общем случае многоканальных) зарядных устройств. При этом усложнялись и задачи анализа электромагнитных процессов в генераторах.

С появлением персональных компьютеров и современных систем схе­мотехнического моделирования решение подобных задач не представляет непреодолимых трудностей. Однако для обобщения результатов анализа и получения общих выводов и рекомендаций во многих случаях можно получить точные аналитические зависимости, используя два основополагающих закона электротехники – закон сохранения энергии и закон сохранения заряда. Результатом такого подхода явилось формулирование и доказательство ряда теорем, поясняющих энергетику электромагнитных процессов и принципы построения схем генераторов импульсов различных видов. Были получены условия согласования генераторов с нелинейными резистивными нагрузками, объяснены особенности учета нелинейности зарядных индуктивных элементов.

Поскольку объем монографии ограничен, ее автор не имел возможности включить самостоятельные разделы, посвященные рассмотрению конкретных импульсных систем питания разнообразных радиотехнических и электротехнологических установок. Тем не менее, материал данной работы будет полезен при расчетах и проектировании импульсных систем, предназначенных для генерирования импульсов миллимикросекундного диапазона в технике физического эксперимента, в радиопередающих и локационных системах, в системах питания импульсных газовых и твердотельных лазеров, в конденсаторных контактных сварочных машинах и т. п. Несмотря на то, что монография ориентирована на сравнительно узкий круг специалистов, работающих в области силовой импульсной техники, автор надеется, что она будет полезна и инженерам-электрикам более широкого профиля. Автор будет признателен всем читателям, кто сочтет возможным ознакомиться с предлагаемым материалом и при необходимости высказать критические замечания.

Список литературы

1. Детали и элементы радиолокационных станций / пер. с англ.; под ред. А. Я. Брейтбарта. М.: Сов. радио, 1952.

2. Иванов А. Б., Сосновкин Л. М. Импульсные передатчики СВЧ. М.: Сов. радио, 1956.

3. Меерович Л. А., Зеличенко Л. Г. Импульсная техника. М.: Сов. радио, 1956.

4. Ицхоки Я. С., Овчинников Н. И. Импульсные и цифровые устройства. М.: Сов. радио, 1972.

5. Справочник по импульсной технике / под ред. В. Н. Яковлева. Киев: Технiка, 1970.

6. Евтянов С. И., Редькин Г. Е. Импульсные модуляторы с искусственной линией. М.: Сов. радио, 1973.

7. Нейман М. С. Курс радиопередающих устройств. М.: Сов. радио, 1965.

8. Матханов П. Н., Гоголицын Л. З. Расчет импульсных трансформаторов. Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1980.

9. Ворончев Т. А. Импульсные тиратроны. М.: Сов. радио, 1958.

10. А. с. 400980 СССР МКИ3НО 3 К 3/335. Генератор импульсов тока переменной длительности / Г. Л. Бенедиктов, Н. И. Михайлов, В. М. Опре (СССР). Опубл. 01.10.73. Бюл. № 40.

11. А. с. 1002119 СССР МКИ3В 23 К 11/26. Конденсаторная сварочная машина с регулируемым импульсом сварочного тока / Б. В. Коган, Н. В. Ко­ротаев, А. М. Никитин, В. М. Опре (СССР). Опубл. 07.03.83. Бюл. № 9.

12. Опре В. М. Генераторы импульсов тока регулируемой формы для накачки лазерных технологических установок // Электротехника. 1989. № 9. С. 37–39.

13. Опре В. М. Основы силовой импульсной техники: Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2002.

14. Левинштейн М. Л. Операционное исчисление и его приложения к задачам электротехники. М.-Л.: Энергия, 1964.

15. Свид. на П. м. РФ 7 G 01 R 31/00. Высоковольтный стенд для испытания ограничителей перенапряжений / Н. В. Коротаев, В. М. Опре,
И. В. Саенко (РФ). Опубл. 10.09.2002. Бюл. № 25.

16. Ауслендер В. Л., Ильин О. Г., Шендерович А. М. Формирование импульсов тока регулируемой длительности // Приборы и техника эксперимента. 1962. № 3. С. 81–83.

17. А. с. 951666 СССР, МКИ3НО 3 К 3/53, Генератор импульсов / В. М. Громовенко, Ю. П. Никонов. (СССР). – Опубл. 04.09.82. Бюл. № 30.

18. Генератор высоковольтных импульсов с переменной длительностью / Т. Е. Анисимова, Е. В. Аккуратов, В. М. Громовенко и др. // Приборы и техника эксперимента. 1987. № 4. С. 45–48.

19. А. с. 693961 СССР, МКИ3Н0 5 В 41/30. Устройство для питания импульсных газоразрядных ламп / С. А. Вицинский, В. М. Опре (СССР). Опубл. 28.06.79. Бюл. № 7.

20. Свид. на П. м. 15060 РФ, RU 7 H 03 K 3/36. Генератор импульсов тока / А. А. Аллас, А. В. Громовенко, А. Ю. Коротков, В. М. Опре, А. В. Фе­доров (РФ). Опубл. 10.09.2000. Бюл. № 25.

21. Громовенко В. М., Опре В. М., Щеголева Н. А. Зарядные устройства расщепленных емкостных накопителей // Электротехника. 1997. № 3.
C. 46–48.

22. Свид. на П. м. 18026 РФ, RU 7 H 02 М 9/04. Зарядное устройство / А. А. Аллас, А. Ю. Коротков, В. М. Опре, А. В. Федоров (РФ). Опубл. 10.05.2001. Бюл. № 13.

Оглавление

Предисловие. 3

1. Основные сведения об импульсных процессах. 7

1.1. Импульсные режимы работы.. 7

1.2. Форма и параметры импульсов. 8

1.3. Основные принципы генерирования мощных импульсов тока. 12

1.4. Принципы построения зарядных устройств
емкостных накопителей. 14

2. Генераторы прямоугольных импульсов тока
на основе реактивных формирующих двухполюсников. 16

2.1. Переходные характеристики формирующих двухполюсников. 16

2.2. Канонические схемы формирующих двухполюсников. 20

2.3. Формирующие двухполюсники 1-го рода. 21

2.4. Формирующие двухполюсники 2-го рода. 24

2.5. Длинная линия в качестве формирующего двухполюсника. 27

3. Генераторы импульсов тока на основе длинных линий. 28

3.1. Волновые процессы в длинной линии. 28

3.2. Согласование длинной линии и нагрузки. 30

3.3. Однородная искусственная линия. 33

3.4. Двойная длинная линия. 38

3.5. Короткозамкнутая длинная линия, заряжаемая током. 42

3.6. Коррекция формы импульсов. 44

3.7. Работа однородной искусственной линии
на комплексную нагрузку. 47

3.8. Работа однородной искусственной линии
на нелинейную нагрузку. 49

3.9. Особенности расчета и проектирования генераторов
на основе реактивных формирующих двухполюсников. 53

4. Генераторы прямоугольных импульсов тока регулируемой
длительности. 58

4.1. Принципы построения генераторов импульсов
регулируемой длительности. 58

4.2. Частичный разряд емкостных накопителей. 61

4.3. Частичный разряд эквивалентных
формирующих двухполюсников. 63

4.4. Энергетика процессов частичного разряда
однородной искусственной линии. 65

4.5. Длинная линия с распределенным диодом. 68

4.6. Однородная искусственная линия с вентилями. 71

4.7. Генераторы с дискретной регулировкой
длительности импульсов. 74

4.8. Особенности расчета и проектирования генераторов
на основе однородных искусственных линий с вентилями. 77

5. Генераторы импульсов тока регулируемой формы.. 80

5.1. Длинная линия с распределенным ключом. 80

5.2. Теорема о соответствии формы эпюра зарядного
напряжения длинной линии и формы импульса тока нагрузки. 82

5.3. Длинная линия при одновременной коммутации
распределенного ключа. 85

5.4. Генераторы импульсов тока регулируемой формы
на основе однородных искусственных линий. 88

5.5. Генераторы импульсов тока регулируемой формы
на основе расщепленных емкостных накопителей. 91

5.6. Практическая реализация генераторов импульсов тока
регулируемой формы.. 93

6. Зарядные устройства емкостных накопителей. 95

6.1. Резистивный заряд емкостных накопителей. 96

6.2. Индуктивный заряд емкостных накопителей. 99

6.3. Управляемый резонансно-диодный заряд
емкостных накопителей. 107

6.4. Заряд емкостных накопителей от неуправляемых
выпрямителей. 111

6.5. Заряд емкостных накопителей от источников тока. 112

6.6. Заряд расщепленных емкостных накопителей
с помощью коммутатора зарядного тока. 114

6.7. Энергетика процессов резистивного заряда
расщепленных емкостных накопителей. 115

6.8. Резонансно-диодный заряд расщепленных емкостных
накопителей. 117

Заключение. 122

Список литературы.. 124