Источник питания дозированной энергией повышенной стабильности

Введение.

Силовые диоды и тиристоры являются вентилями с неполным управлением. Они приобретают свойства полностью управляемых ключей при использовании узлов их искусственной коммутации. Основным источником энергии в узле искусственной коммутации является заряженный конденсатор, который можно дополнительно использовать для дозированной передачи его энергии в нагрузку. Таким образом, сформировался самостоятельный класс вентильно-конденсаторных преобразователей (ВКП) с дозированной передачей электроэнергии (ДПЭ). Они стали использоваться как самостоятельные вторичные источники электропитания для специальных электротехнологий, прямого и косвенного электронагрева, сварки, заряда аккумуляторов и др., [1-8]. Принцип функционирования ВКП с ДПЭ на примере двухтактного преобразователя поясняет схема рис.1. По существу, вентили схемы рис.1 включены по однофазной мостовой схеме выпрямителя с включением анодной группы вентилей VS1, VD2 через сопротивление питающей сети. Катодную группу образуют вентили VD1, VS2. Нагрузка подключается к соответствующим выходам постоянного либо переменного тока.

Рисунок 1 - Схема двухтактного ВКП с ДПЭ и подключением нагрузки в режиме выпрямителя

На первом такте работы при положительном напряжении питающей сети постоянного либо переменного напряжения дозирующий конденсатор С заряжается от сети по цепи: открытый током управления тиристор VS1 , конденсатор С , нагрузка переменного тока, диод VD 1, «плюс» нагрузки постоянного тока и «минус» питающей сети. При этом ток заряда дозирующего конденсатора С снижается до нуля и тиристор VS1 закрывается.

На втором такте работы. Импульсом тока управления открывается тиристор VS2 и заряженный дозирующий конденсатор С разряжается по цепи: тиристор VS2 , «плюс» нагрузки постоянного тока, диод VD2 , нагрузка переменного тока. Поочерёдным открытием тиристоров VS1 и VS2 такты работы повторяются. При переменном напряжении питающей сети вместо входного тиристора VS1 возможно использование силового диода [5].

Целью исследования является анализ влияния параметров двухтактного ВКП с ДПЭ в режиме вторичного источника электропитания на его устойчивость и реализация повышения его стабильности в работе.

Материалы и методы исследования. ВКП с ДПЭ рис.1 функционирует под управлением синхронизированных импульсов управления силовыми тиристорами VS1, VS2 для обеспечения полного заряда и разряда дозирующей ёмкости С в квазирезонансном режиме на соответствующих временных интервалах коммутации. Энергия, передаваемая из питающей сети в нагрузку, определяется значением ёмкости дозирующего конденсатора С и напряжением питающей сети. Для двухтактного ВКП рис.1 при идеальных силовых ключах соответственно имеем [1,2]:

A = C - U ² , (1) где А – энергия запасаемая и отдаваемая дозирующим конденсатором за два такта коммутации, Дж; С – ёмкость дозирующего конденсатора, Ф; U – действующее значение напряжения питающей сети, В.

Мощность Р (Вт), выделяемая в нагрузке за один период коммутации Тк (с), включающим длительности тактов полного заряда t З и полного разряда t Р дозирующего конденсатора:

P =

C • U2

Tк

= C • U2 • fK, К

В частности, при длительности периода коммутации Тк = 0,02 с, что соответствует частоте коммутации f К 50 Гц, и действующем значении напряжения сети 220 В согласно (2) удельная мощность нагрузки составит 2,42 Вт/мкФ. Продолжительности переходного процесса заряда t З или разряда t Р дозирующей ёмкости С преобразователя связаны с постоянной времени цепи заряда или разряда т зР (с) через подключённую нагрузку [3]:

t 3P = 4^зр = 4 'R Hr' C;

где RНГ – сопротивление нагрузки при заряде и разряде дозирующей ёмкости С в цикле коммутации, Ом.

Рисунок 2 - Зависимость максимальной ёмкости дозирующего конденсатора ВКП от

активного сопротивления нагрузки

Результаты и обсуждение. В общем случае параметры нагрузки в процессе работы преобразователя могут существенно изменяться. При определённых значениях ёмкости С дозирующего конденсатора и частоте коммутации тиристоров VS1, VS2 возможен затяжной разряд дозирующего конденсатора С через тиристор VS2 и нагрузку R НГ . В результате, при открытии тиристора VS1 возникает срыв квазирезонансного режима и прорыв преобразователя по цепи VS1, VS2 с прямым подключением нагрузки на напряжение питающей сети, рис.1. Согласно (3) связано это с увеличением продолжительности разряда дозирующего конденсатора С из-за повышения сопротивления цепи нагрузки R НГ или из-за завышения ёмкости С дозирующего конденсатора.

Для полного заряда и разряда дозирующего конденсатора за четыре постоянных времени t ЗР = 4∙τ , где τ = R НГ ·C - постоянная времени переходного процесса заряда или разряда дозирующего конденсатора. Из этого условия максимальное значение τ m для заряда или разряда дозирующей ёмкости в течение 1/4 периода коммутации при частоте f = 50 Гц:

Т m

t Т

t3P = 1

4    4 • 4

14 • 4 • f

= 0,00125 c.

С учётом формулы (5) получаем зависимость максимального значения ёмкости Сm дозирующего конденсатора из условия его полного заряда и разряда в цикле коммутации с частотой f = 50 Гц питающей сети:

с = m

R НГ

1       0,00125            1250

--------=------, Ф или С =----, мкФ

16 • f • R_Hr     R_Hr            ^m R_Hr       ’

НГ       НГ                   НГ где RНГ – активное сопротивление нагрузки преобразователя, Ом.

Эта зависимость представлена в виде графика на рис.2.

Из анализа работы и графика рис.2 следует, что тиристорно-диодный ВКП с ДПЭ рис.1 используется как вторичный источник электропитания при ограничении максимальной ёмкости дозирующего конденсатора С и обеспечении постоянных параметров нагрузки. В случае существенного отклонения указанных параметров в сторону больших значений из-за затяжного разряда дозирующего конденсатора С возможен срыв работы тиристорно- диодного преобразователя с прямым подключением нагрузки на напряжение питающей сети.

ТV

QF

VD5

VD4

VD6

VD3

VТ2

VТ1

VD1

VD2

FU

CM 4 О X

Л co

+

re co

ГО

-

Рисунок 3 - Электрическая схема стабилизированного источника дозированной энергии на основе вентильно-конденсаторного преобразователя с полным управлением

Для повышения стабильности ВКП с ДПЭ в режиме вторичного источника электропитания следует вместо частично управляемых тиристорных ключей использовать полностью управляемые полупроводниковые ключи в виде биполярных транзисторов с изолированным затвором типа JGBT с их синхронизированным управлением от питающей сети переменного тока по схеме рис.3. В преобразователе рис.3 при существенном отклонения параметров RC - цепи нагрузки транзисторные ключи VT1 или VT2 принудительно закрываются синхронизированными импульсами управления от сетевого трансформатора TV. В этом случае дозирующий конденсатор ёмкостью С в ряде режимов нагрузки частично не разряжается с сохранением стабильной работы преобразователя. Светодиоды VD5, VD6 обеспечивают устойчивое управление силовыми транзисторами VT1, VT2 и обеспечивают световую индикацию работы преобразователя. Высокоомный резистор R предусмотрен для разряда дозирующего конденсатора С в отключённом состоянии преобразователя. В общем случае силовая сеть источника рис.3 может быть, как переменного, так и постоянного тока с блоком синхронизированного управления от сети переменного тока. В этом случае при напряжении 220 В и частоте 50 Гц удельная мощность нагрузки составит 2,42 Вт/мкФ.

Выводы

• 1.    В результате анализа работы источника питания дозированной энергией на основе венильно-конденсаторного преобразователя установлено влияние параметров RC – цепи нагрузки на устойчивость поддержания квазирезонансного режима работы преобразователя.

• 2.    При существенном отклонении параметров RC – цепи нагрузки в сторону больших значений происходит срыв работы преобразователя с прямым подключением нагрузки на напряжение питающей сети.

• 3.    Для повышения стабильности работы ВКП с ДПЭ в режиме вторичного источника электропитания предложено схемотехническое решение, в котором вместо частично управляемых тиристорных ключей предложено использовать полностью управляемые ключи в виде биполярных транзисторов с изолированным затвором типа JGBT с синхронизированным управлением от питающей сети переменного тока. При напряжении 220 В и частоте 50 Гц удельная мощность нагрузки составит 2,42 Вт/мкФ.