Для уменьшения габаритов мощных ЗУ в последнее время все чаще применяется звено повышенной частоты, которое обычно реализуется на различных инверторных схемах. Существует большое разнообразие схем ЗУ с инверторами/20-27/. Но стремление к улучшению массогабаритных показателей ЗУ путем повышения частоты требует применять в качестве ключей транзисторы, способные работать на частотах (16-25)кГц. Однако, имеющаяся в нашей стране серийная элементная база транзисторов не позволяет получить высокую мощность таких устройств/28/ и требует применения специальных мер по улучшению коммутационной способности транзисторов. В /29/ предлагается собирать ЗУ необходимой мощности из транзисторных ячеек в виде блочной конструкции мощностью (6-8)кВт, с рабочим напряжением 10 кВ при частоте (16-20)кГц.
Выбор оптимальной частоты преобразования определенным образом сказывается на улучшение массо-габаритных показателей. Существуют зависимости массы трансформаторов от частоты питающего напряжения при различных марках ферромагнитных материалов/30/. Ограничения на возможность повышения частоты накладывает материал магнитопровода. Так, для пермалоя оптимальной частотой является 5 кГц/28/, для электротехнической стали - 1 кГц/31/. Наименьшую массу на частотах (20-70)кГц имеют трансформаторы из феррита. Обладая относительно малой стоимостью, этот материал позволяет создавать сердечники различной формы, что дает возможность применения их в качестве магнитопроводов ВЧ высоковольтных трансформаторов ЗУ. В перспективе возможно изготовление ВЧ трансформаторов на основе аморфного железа.
Однако возникает проблема борьбы с паразитной межвитковой емкостью выходной обмотки трансформатора (до сотен пикофарад), проблема надежности особо тонких вторичных обмоток, а также отсутствие мощных высоковольтных высокочастотных диодов. В /32/ предлагается высоковольтный блок выполнять в виде т.н. трансформаторно-выпрямительных узлов (ТВУ), в которых элементы трансформатора и выпрямителя выполняются и конструктивно объединяются в единое целое оптимальным образом, на высокое напряжение трансформатора не более 10 кВ.
Удельные показатели по массе, объему и надежности преобразователей с высокочастотным звеном в значительной степени определяются характеристиками применяемых в них элементов: конденсаторов, сглаживающих фильтров, диодов выпрямительных, как на стороне питающей сети, так и на выходе зарядного устройства; ключевых элементов транзисторов или тиристоров; трансформаторов и дросселей.
В настоящее время промышленностью освоены серии частотных, частотно-импульсных и быстродействующих тиристоров ТЧ, ТЧИ, ТБ /33/. Диапазоны коммутируемых ими токов составляют десятки и сотни ампер, допустимые обратные напряжения составляют величину сотен и тысяч вольт, что позволяет применять данные тиристоры в инверторах, работающих на промышленную сеть. Время включения у тиристоров серии ТЧ, ТЧИ и ТБ составляет соответственно 5 мкс,
1.3 мкс, 2 мкс. Время выключения - (12-30)мкс,(20-30)мкс,(16-32)мкс. Такие времена позволяют использовать их в высокочастотных инверторах с частотой коммутации (5-9)кГц/30,34/.
Одним из недостатков, сдерживающих применение тиристоров в схемах ЗУ с высокочастотным звеном, является их не полная управляемость, что требует применения принудительных узлов коммутации, которые громоздки, затягивают процесс закрывания, не позволяют в полной мере реализовать сложные алгоритмы управления зарядными устройствами. Кроме того, тиристоры имеют в статическом режиме потери на порядок больше, чем транзисторы/33/.
В качестве ключевых элементов ЗУ используются современные силовые транзисторы серии ТК, КТ и 2Т /35/. Транзисторы серии ТК способны коммутировать токи от 16 до 100 А, при напряжении коллектор-эммитер до 240 В, что ограничивает их применение в ЗУ с бестрансформаторным входом, питающихся от промышленной сети 380 В. Кроме того, статический коэффициент усиления по току для данных приборов составляет величину 2-3 для максимального тока коллектора, что требует значительных энергетических затрат в системах управления и практически делает нецелесообразным использование транзисторов серии ТК в ВЧ-инверторах ЗУ. Наиболее приемлемыми для этих целей являются транзисторы серии 2Т839, 2Т841, КТ585, 2Т812, 2Т847, которые имеют напряжение коллектор-эммитер соответственно - 1500, 600, 1500, 700, 600 В при величине коммутируемого тока коллектора - 10, 10, 5, 5, 15 А. При этом типовое значение статического коэффициента усиления по току составляет 15-30, время включения
0.1 мкс, время рассеивания зарядов до 10 мкс. Данные транзисторы сохраняют значения своих параметров на частотах (20-40)кГц, позволяют выполнять ЗУ с бестрансформаторным входом, не требуют значительных мощностей систем управления. При обеспечении запаса по току 0.3-0.4, приведенные транзисторы позволяют переключать токи до 5 А, т.е. средняя мощность преобразования ЗУ составит 1.5 кВт для сети 220 В и (2,2-2,4)кВт для сети 380 В.
Одним из важнейших элементов ЗУ является выходной выпрямитель, сложность эксплуатации которого определяется не только высоким рабочим напряжением (десятки киловольт), но и высокой частотой (порядка 20-40 кГц). Выпрямительные столбы серии КЦ201, КЦ202 36 выдерживают обратное напряжение (10-15)кВ, средний прямой ток составляет величину (500-1000)мА, но при этом максимально допустимая частота переменного тока равна 1 кГц, что ограничивает применение данных столбов в ЗУ с ВЧ инвертором. Столбы серии 2Ц106, 2Ц108 имеют максимальную рабочую частоту соответственно 20 и 50 кГц, максимально допустимое обратное напряжение 10 и 6 кВ, прямой ток 10 и 100 мА. При этом столбы 2Ц108 допускают последовательное соединение без уравнительных сопротивлений не более двух приборов на напряжение до 8 кВ. Таким образом, при проектировании зарядных устройств на выходное напряжение (25-30)кВ требуется последовательное, а в случае наращивания мощности,последовательнопараллельное соединение указанных типов высоковольтных столбов с применением уравнительных сопротивлений, что снижает надежность выпрямительных плеч в целом. Промышленностью освоен выпуск кремниевых диффузионных диодов типа 2Д220, 2Д230. Максимально допустимые обратное напряжение указанных типов диодов 1 кВ, рабочая частота преобразования соответственно (20-50)кГц, прямой ток 6 и 3 А. Причем диоды серии 2Д220 допускают последовательное соединение любого числа приборов при условии, что обратное напряжение преобразователя не будет превышать сумму обратных напряжений столбов.
Таким образом, существующая отечественная серийная элементная база (тиристоры, транзисторы и диоды) ограничивает предел средней мощности зарядных устройств с преобразованием на частоте (20-40)кГц.
Существуют пути наращивания мощности ЗУ /37,38/, но использование их в конечном итоге снижает общую надежность преобразователя.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.