Зарядные цепи с индуктивно-емкостными преобразователями

6. Зарядные цепи

                                                              с индуктивно-емкостными

преобразователями

    Индуктивно-емкостные преобразователи системы неизменного напряжения в систему неизменного тока осуществляют процесс зарядки практически неизменным то­ком на всем иптервале зарядки. В ряде случаев такой процесс зарядки позволяет обеспечить максимальное КПД и является оп­тимальним для зарядных устройств, имеющих существенное омическое сопротивление зарядного контура.

Несмотря на то что существует большое количество зарядных устройств, в которых зарядка неизмененным током осуществляется с помощью различных систем автоматического регулирования [138, 188, 209, 210, 241, 246], зарядные устройства с ИЕП получили более широкое распространение благодаря простоте и надежности [11, 39, 47—49, 79, 136, 137, 139, 145, 253]. Работа зарядных уст­ройств с ИЕП основана на использовании явления резонанса на­пряжений, зарядный ток стабилизируется параметрически и не зависит от напряжения на батарее конденсаторов. По схемным ре-шениям ИЕП можно разделить на несколько основых типов [48, 49, 136, 139], отличие между котрыми обусловлено различием в структурах пассивного многополюсника, содержащсго реактивные элементы.

Зарядные цепи с однофазными ИЕП. Па рис. 20—22 приведены простейшие зарядные цепи с однофазными ИЕП. Помимо ИЕП схе­ми содержат согласующий трансформатор Тр, выпрямитель В и заряжаемую батарею конденсаторов С.

Г-образные схеми ИЕП (рис. 20) и мостовая схема (рис. 21) предложены П. Бушеро и носят его имя. Одну из модификаций схем Бушеро представляет схема ИЕП, использующая согласующий трансформатор со средней точкой (рис. 22). Зти устройства

содержат линейные резонансные цепи, состоящие из реактора L и                  конденсатора С₀. Емкостный накопитель энергии С подключается через выпрямитель мостового типа В и согласующий трансформатор Тр либо параллельно одному из элементов резонансной цепи, либо к средним точкам

                               Рис.23.                                         резонансных цепей.

   В начале процесса заряд­ки резонанс напряжений отсутствует из-за шунтирующего влияния незаряженной батареи конденсаторов. ІІо мере зарядки напря­жение на плечах резонансной цепи возрастает и "в конце концов достигает полного резонансного напряжения, которое во много раз может превышать напряжение источника питания, причем до этого же резонансного напряжения зарядится и батарея конденсаторов. Поскольку такой режим является аварийным, указанные схемы зарядки нельзя использовать без специальных устройств, которые отключают зарядную цепь по достижении напряжением на батарее конденсаторов заданного или допустимого значений.

Зарядные устройства с ИЕП обладают положительными свойствами, присущими всем зарядным устройствам, имеющим падающую внешнюю характеристику и реактивные элементы: ониустойчивы против коротких замыканий в нагрузке и имеют достаточно высокий КПД. Но основное достоинство зарядных цепей с ИЕП заключается в отсутствии пиковых бросков тока и мощности в начале процесса зарядки. Это свойство зарядных цепей с ИЕП и обусловило их широкое распространение. Поскольку рассмотренные выше простейшие зарядные цепи с ИЕП характеризуются низкими технико-экономическими показателями, большим весом и га­баритами элементов ИЕП, их применение ограничивается лишь случаями, когда время, отводимое на зарядку, велико и энергоемкость батарей конденсаторов С мала.

 Для зарядки больших накопителей энергии целесообразней ис­пользовать зарядные цепи с разработанной в ИЭД АН УССР Т-образной схемой ИЕП, изображенной на рис. 23 [48, 49, 136]. Схе­ма содержит два реактора L1 и L2, которые в общем случае могут располагаться на одном магнитопроводе, обеспечивающим магнитную связь между обмотками. Введение линейной магнитной связи между обмотками реакторов L1 и L2 позволяет уменьшить вес, габариты и стоимость ИЕП, увеличить точность стабилизации тока зарядки.

Для подтверждения сказанного сравним энергоемкости и другие технико-экономические показатели элементов ИЕП в заряд­ных цепях, приведенных на рисунках 20, а и 23.

Анализ зарядной цепи с однофазным Г-образным ИЕП в линейном приближении. Анализ проведем в предположении, что, не внося большой ошибки, реальную нагрузку можно заменить эквивалентным сопротивлением R_э, выбранным соответствующим образом, а зарядную цепь на рис. 20, а представить схемой замещения, изображенной па рис. 24 (ак­тивным сопротивлением обмотки ре­актора L пренебрегаем).

           Рисю20.                   Если питающее напряжение синусоидально (u = U_m sin wt) и выполняется основное условие нормальной работы ИЕП — условие резонанса (w²LC₀=1), - то выражение для токов в ветвях схемы замещения можно записать в виде [48]

                                                       (1.65)

откуда амплитуды токов

                                              (1.66)

Таким образом, при принятых допущениях ток нагрузки , не
зависит от величины сопротивления нагрузки R_Э. Поэтому можно
считать, что процесс зарядки осуществляется при неизменном токе
зарядки

                                                                                                    (1.67)

где k_тр - коэффициент трансформации согласующего трансформа­тора Тр. Кроме того, в реальной зарядной цени при зарядке бата­рей конденсаторов с емкостью С за время t_зот начального Uсо до номинального U_сн напряжения неизменним током должно выполняться условие

                                                                                  (1.68)

При этом усредненная кривая роста напряжения на батарее кон­денсаторов носит линейный характер

                                                      (1.69)

Если на интервале одного полупериода напряжение Uс не успевает существенно измениться и согласующий трансформатор Тр идеален, то в реальной заряд­ной цепи напряжение на нагруз­ке в первом приближение имеет вид прямоугольных разнополярных импульсов, совпадающих по фазе с током  и имеющих амплитуду, равную U_c ⁄ k_TP (рис.25).

Процессы в схеме замещения рис. 24, состоящей из линей­ных элементов, дают наилучшее приближение к процессам в реаль­ной зарядной цепи, если принять      напряжение на                                                                              нагрузке R_я си­нусоидальным и равным первой гармонике прямоугольных им­пульсов, амплитуда которой

                                                                (1.70)

Отсюда, используя формулы (1.67)-(1.69) для принятой схемы замещения,   получаем

                       (1.71)

Сопротивление нагрузки R_э  изменяется по  линейному зако­ну от

                                          (1.72)

в начале зарядки до

                                        (1.73)

в конце процесса зарядки при t = t_З.

      Формулы (1.67) и (1.68) позволяют выразить величины L и С₀ в рассматриваемой зарядной цепи через основные параметры U_CH, U_C0, U_m, w, t_З, C и k_TP:

                                            (1.74)

и при выполнении условия

                                              (1.75)

     Поскольку амплитуда напряжения па конденсаторе С₀ равна

                                                  (1.76)
выражение для энергии конденсатора запишем в виде

                                           (1.77)

Наибольшее значение Wс_o, наблюдается  при  . По­этому, используя формулы (1.73) и (1.74), находим

                                      (1.78)

Воспользовавшись формулами (1.66),  (1.73) и (1.74),   получим

выражение энергоемкости реактора L :

                  (1.79)

Относительная  энергоемкость элементов в Г-образной схеме ИЕП

                 (1.80)

где -энергоемкость основного накопителя энергии.