Энергосберегающий быстродействующий переключатель тока для индуктивных нагрузок

Введение. В настоящее время к различным устройствам автоматики предъявляются высокие требования по быстродействию исполнительных устройств (электромагниты коммутаторов, магнитные элементы автоматики, СВЧ излучатели и др.). Силовые и механические характеристики этих устройств зависят от скорости нарастания магнитной энергии в индуктивной нагрузке. Поэтому часто возникает необходимость в ускорении (форсировании) данных процессов.

Постановка задачи. Рассмотрим несколько способов форсирования переходных процессов при переключении тока в индуктивных нагрузках. Наиболее простым является способ, заключающийся в том, что последовательно с индуктивной цепью включается дополнительное балластное сопротивление (рис. 1, а ), благодаря которому уменьшается постоянная времени намагничивающей цепи и, следовательно, время переходного процесса [2].

В качестве ключа К используется электронный ключ (транзистор). Нагрузка в таких схемах обычно шунтируется диодом для уменьшения скачков напряжения, возникающих на ключе в момент гашения магнитного поля нагрузки (следует отметить, что требования к заднему фронту часто не являются критическими).

Предположим, что в индуктивной цепи L н , r н (см. рис. 1, а ) необходимо формировать импульсы длительностью t и , причем передний фронт импульса тока должен быть намного меньше его ширины, т. е . t фр << t и . Так как активное сопротивление нагрузки обычно мало, то справедливо соотношение

L

T = — >> tоб, r где Tj — собственная постоянная времени индуктивной нагрузки.

При протекании установившегося тока в нагрузке запасается магнитная энергия:

Wx =

^L i i ono

Мгновенное значение силы тока во время импульса определяется следующим соотношением [1]:

(- ±)

i ^ ( t ) = i _6Й6 1 - e ^T| ,

I J где т^

Liv n , i ono =

Г + r + R a         r + r i + R a

Рис. 1. Базовые схемы коммутации тока в индуктивной нагрузке:

а — индуктивная электрическая цепь; б — индуктивная электрическая цепь с ускоряющей емкостью;

в — индуктивная электрическая цепь с высоковольтным источником питания E 1 и дополнительным управляемым ключом;

г — индуктивная электрическая цепь с повышающим импульсным трансформатором и низковольтным источником питания; д — индуктивная электрическая цепь с дополнительным дросселем

Если считать, что ток достигает установившегося значения за время t = t _бд = 3 т _^, то при заданной индуктивности нагрузки и заданном времени установления силы тока полное активное сопротивление цепи составит:

^R _Е - r + r + ^R а - 3 L _f ]t _бб.

Если пренебречь сопротивлением источника напряжения и самой обмотки, а также сопротивлением ключа в открытом Rs= Rа. Тогда средняя мощность,

формировании импульсов тока

с

состоянии (ввиду их малых значений), то можно считать потребляемая от источника постоянного напряжения при частотой f = ^ ( T — период следования импульсов),

определится следующим образом: t =

- ²- (1 - e nd         ono e

T 0

t tг

^T ) ² R _z dt + - J ^ L ( t ) • L ( t ) dt - i L, R ₂ -Г- + WJ .

T о ,       ,                  T

Рассматривая это выражение с учетом уравнения (1), получаем:

P d - W x f 67^ + 1 _v t бд

W x f   .

t бд

Из выражения (2) следует, что повышение крутизны нарастания тока при переключении его рассматриваемым способом можно получить только посредством увеличения мощности источника питания, которая рассеивается, в основном, на балластном сопротивлении.

Мощность источника постоянного напряжения можно снизить (не изменяя длительности фронта импульса), если шунтировать балластное сопротивление ускоряющей емкостью (рис. 1, б). Тогда появляется возможность уменьшить это сопротивление и тем самым снизить напряжение источника питания.

Рассмотрев характер переходного процесса в данной цепи (считая время установления тока таким же, как в предыдущем случае, а также пренебрегая сопротивлением источника напряжения, обмотки и сопротивлением ключа в открытом состоянии), можно установить, что средняя мощность, потребляемая данным переключателем тока от источника Е , с учетом того, что к моменту установления тока емкость С заряжается до напряжения питающего источника, будет определяться выражением:

Р-.

^ nd

W f

(

^ ¹ od

^

^{+ 1}

W i f

t od

Сравнивая выражения (2) и (3) можно сделать вывод, что шунтирование балластного сопротивления емкостью позволяет (при прочих равных условиях) почти в два раза снизить потери электрической мощности в случае формирования плоских импульсов тока заданной амплитуды.

Более перспективным с точки зрения минимизации потерь мощности является импульсное форсирование переходных процессов. Это обусловлено, главным образом, появлением полностью управляемых высоковольтных полупроводниковых ключей. Суть такого метода состоит в том, что в момент срабатывания рассматриваемого устройства на нагрузку подается специальный импульс напряжения (или тока), обеспечивающий необходимую крутизну нарастания тока. При этом возникает необходимость в дополнительном высоковольтном источнике питания E 1 и дополнительном управляемом ключе К 1 (рис. 1, в ). Диод VD в схеме препятствует прохождению тока высоковольтного источника через основной источник питания E 2 .

Если пренебречь сопротивлением ключа в открытом состоянии, то мгновенное значение силы тока в нагрузке при подключении источника форсирования определяется соотношением:

ii( t) = -E41 - e -T1), r + rii где т1 — постоянная времени форсирующего контура.

В момент t = tфр, т. е. когда сила тока в нагрузке нарастает до заданного значения, ключ К1 выключается. После этого момента времени характер изменения силы тока в нагрузке зависит как от параметров цепи основного источника питания, так и от силы тока, протекающего через нагрузку в момент запирания ключа К1.

Если выполняется условие i i( t = tod) =

E 2 , r ⁺ ri2 ’

то в момент размыкания ключа К 2 устанавливается плоская часть импульса тока. Такой режим форсирования называется оптимальным.

Средняя мощность, потребляемая от источников питания при оптимальном форсировании, будет равна сумме потерь электрической мощности от источника форсирования и источника E 2 :

P id = P idl ⁺ P id2 .

Электрическая мощность от источника форсирования определяется следующим образом:

P 61 = ¹ J u L , ⁽ t ) i L , ( t ) dt .

T 0

С учетом того, что Е 1 >> Е 2 и r i 1 ≈ r i 2 << r изменение силы тока в нагрузке от момента времени t = 0 до t = t ^ можно считать линейным, тогда u_L ( t ) = E 1 и

E_x • K °r                   i j ⁽ t = t 66 ) i ono

P>61 = -1— J tdt, где K = —;= —

T 0                       t66

Заменяя E, = Li^iE = ^{1 ono} , получаем:

1     Att

1 ^L 1 i ono t О 6 ттг c

3 »i =7^—— = W f .

T ² t 66 t 66

Для электрической мощности от источника питания, в случае соблюдения условия ii (t = 166) = E2/(r + ri2), справедливо выражение n P ■ te - t66 _ ionoLi (te - t66)

^n62 =E 2 i ono    —,    =

T T

Средняя суммарная мощность будет определяться выражением:

Д = W f + ionoL‘(te - t66) = W f Г1 + 2(te - t66) 1.

U62        11

TiT               L        Ti

Таким образом, при форсировании режима переключения тока в индуктивной нагрузке затраты электрической мощности определяются только активным сопротивлением индуктивной цепи и при т _н >> t ф_p они могут быть во много раз меньше, чем в рассмотренных выше случаях. Это видно из сравнения выражений (2)—(4).

Известны также способы ускорения процессов переключения тока в индуктивных нагрузках, когда для формирования ускоряющих импульсов используется повышающий импульсный трансформатор и низковольтный источник питания (рис. 1, г ). Основной недостаток такого способа — ограниченный диапазон применения из-за значительных габаритов самого импульсного трансформатора. То же самое можно сказать относительно индуктивного форсирования, когда используется энергия магнитного поля дополнительного дросселя (рис. 1, д ).

Последние два способа обладают меньшей энергетической эффективностью по сравнению со схемным решением, представленным на рис. 1, в , однако обладают важным достоинством, заключающимся в том, что для питания схемы используется только низковольтный источник питания.

Сочетание таких свойств в магнитных переключателях, как быстродействие и энергетическая экономичность особенно важно для систем с автономным энергообеспечением, в которых процессы коммутации повторяются с достаточно высокой частотой, и имеется большое число коммутаторов.

Метод анализа. В данной работе предлагается способ форсирования переходного процесса в индуктивной нагрузке, основанный на применении дополнительного импульсного источника достаточно высокого напряжения (см. рис. 1, в ) с использованием рекуперации энергии магнитного поля, запасаемого в индуктивной нагрузке к моменту выключения тока. Функциональная схема такого устройства представлена на рис. 2.

Рис. 2. Функциональная схема форсирования переходного процесса в катушке:

К 1 , К 2 — электронные управляемые ключи;

VD 1, VD 2 — диоды; УУ — устройство управления;

ИП 1 — низковольтный основной источник питания;

ИП 2 — высоковольтный источник питания

В программе MicroCap создана модель представленного устройства (рис. 3) и рассмотрены различные режимы работы схемы: недостаточного форсирования переходного процесса, перефорсирования и оптимального режима форсирования.

Рис. 3. Модель коммутатора тока в индуктивной нагрузке:

L 1 , R 1 — нагрузка; VD 1, VD 2 — выпрямительные диоды; VT 1 — n-p-n транзистор средней мощности типа MJE13002;

VT 2 — p-n-p высоковольтный транзистор типа 2N5416; V 3 , V 4 — источники тока с заданной длительностью управляющих импульсов (входят в состав УУ, см. рис. 2); V 1 , V 2 — соответственно низковольтный и высоковольтный источники напряжения; Т 1 — импульсный трансформатор (для гальванической развязки цепи управления транзистором VT 2 )

Следует отметить, что импульсный трансформатор может «затягивать» фронты управляющих импульсов тока, поэтому есть вероятность задержки моментов включения и выключения транзистора VT 2 . Однако этим можно пренебречь в том случае, если постоянная времени вторичной цепи импульсного трансформатора намного меньше, чем длительность плоской части импульса.

В рассмотренном примере такие задержки несущественны, поскольку длительность управляющих импульсов лежит в миллисекундном диапазоне. При работе в микросекундном диапазоне целесообразно предусмотреть гальваническую оптронную развязку.

Результаты эксперимента. Результаты моделирования электромагнитных процессов в схеме, соответствующие рассмотренным режимам, представлены на рис. 4.

б )

Рис. 4. Временные диаграммы процессов в схеме:

а — в режиме недостаточного форсирования переходного процесса; б — в режиме перефорсирования;

в — при оптимальном режиме форсирования переходного процесса;

в )

Рис. 4. Окончание (начало см. на с. 680)

Выводы. Применение современных электронных ключей с достаточно большим пробивным напряжением может обеспечить высокую скорость переключения тока в индуктивных нагрузках при многократном снижении затрат электрической мощности, что имеет важное значение для объектов с автономным энергообеспечением.