Рубрики
Электроприводы

Многовыходовые источники тока для заряда батарей

Многовыходовые источники тока для заряда батарей Виталий Скворцов Для сотворения припаса электронной энергии в автономных системах употребляют хим батареи стандартного ряда напряжений

Многовыходовые источники тока для заряда батарей Виталий Скворцов

Для сотворения припаса электронной энергии в автономных системах употребляют хим батареи стандартного ряда напряжений (6, 12 и 24 В), а в системах, где требуется импульсное потребление энергии — емкостные накопители (конденсаторы), в качестве которых в последние годы все почаще используются конденсаторы с двойным электронным слоем, имеющие предельное напряжение от 14 до 100 В.

Нужная мощность накопителей электронной энергии обеспечивается 2-мя способами:

  • параллельное соединение частей накопителя с целью получения нужной емкости;
  • последовательное соединение для получения требуемого выходного напряжения.

В обоих случаях появляются трудности при заряде накопителей, обусловленные разбросом характеристик частей, в особенности при их поочередном соединении.

Подтверждено, что для обеспечения наибольшего припаса энергии накопителей их нужно заряжать персонально (поэлементно). Для решения этой задачки требуется создание систем заряда накопителей, обеспечивающих поэлементный способ заряда. При всем этом могут быть применены многоканальные, также многовыходовые источники тока, потому что для заряда хим аккумов и заряда емкостей с «двойным электронным слоем» нужно использовать ток неизменной величины.

Многовыходовые источники тока в сопоставлении с многоканальными, включающими в себя N регуляторов тока, имеют общий для всех N каналов регулятор тока, при этом это регулятор переменного тока. Регуляторы тока в многоканальных источниках являются регуляторами неизменного тока, которые по своим энергетическим и массогабаритным показателям владеют худшими параметрами по отношению к регуляторам переменного тока.

Структурные схемы многоканального и многовыходового источников тока приведены на рис. 1 и 2 соответственно.

Многовыходовые источники тока для заряда батарей
Рис. 1
Многовыходовые источники тока для заряда батарей
Рис. 2

Внедрение многовыходовых источников тока, построенных по структурной схеме, которая представлена на рис. 2, позволяет решить ряд задач, связанных с поэлементным зарядом аккумуляторных и конденсаторных батарей. Таковой источник состоит из фактически стабилизатора переменного тока СТ-I и соединенных поочередно с ним N трансформаторов тока TI1-TIN, при этом для обеспечения параметров источника тока по каждому каналу стабилизатор переменного тока должен владеть качествами источника тока не только лишь в статическом, да и в динамическом режимах. Это требование накладывает определенные ограничения на выбор типа регулятора переменного тока. Особенностью данной структуры является равенство токов во всех каналах при схожих трансформаторах, что позволяет проводить требуемые операции с элементами обозначенных батарей размеренным и схожим во всех каналах током. Принципиальным нюансом при выполнении таковой структуры является выбор места установки датчика тока для обеспечения отрицательной оборотной связи по току в регуляторе. Это обосновано наличием N каналов тока, при этом характеристики цепи нагрузки для каждого канала могут быть различны.

В связи с этим оборотная связь может осуществляться или средством измерения величины тока в первичной цепи поочередно включенных трансформаторов тока, или средством измерения тока в одном из частей, избранных в случайном порядке, или в дополнительном канале, аналогичном остальным каналам, но не присоединенном к нагрузке, а включенном на специально подобранный балластный резистор.

При контроле тока в одном из рабочих каналов он должен быть повсевременно включенным во время работы, что нереально выполнить при поэлементном заряде, потому что канал может быть отключен в хоть какое время по команде устройства, контролирующего состояние частей заряжаемой батареи. Дополнительный канал производит гальваническую развязку схемы управления от питающей сети, но просит дополнительного трансформатора и выпрямителя. Измерение тока в первичной цепи имеет только один недочет — гальваническую связь схемы управления с сетью. Тот либо другой метод обеспечения оборотной связи по току используют зависимо от определенных критерий. Более хорошим решением является контроль по дополнительному контрольному каналу. Это позволяет получить сигнал с гальванической развязкой с силовой цепью и исключить возможность попадания контролирующей цепи в выключенный канал.

Но при таком построении многовыхо-дового источника тока при его работе через выходной модуль, состоящий из трансформатора тока TI и выпрямителя В, на длинноватую соединительную линию к форме выходного тока регулятора тока предъявляются специальные требования, обусловленные нравом нагрузки.

В общем виде соединительную линию можно представить как RL-нагрузку, где R — активное сопротивление проводов; L — индуктивность этих проводов.

На рис. 3 представлены схема и временные диаграммы, иллюстрирующие работу 1-го из выходов источника переменного тока с фазовым регулированием величины тока на RL-нагрузку через выпрямитель.

Многовыходовые источники тока для заряда батарей
Рис. 3

Если сравнить среднее значение тока, потребляемого от источника тока, и среднее значение тока нагрузки (Iн ср), можно отметить, что значение Iн ср больше среднего значения тока источника тока, другими словами Iн ср > Iист ср

Зависимо от формы выходного тока источника вероятны два режима работы выходного модуля, состоящего из трансформатора и выпрямителя, на RL-нагрузку. При продолжительности спада тока, наименьшей либо равной неизменной времени цепи нагрузки, среднее значение тока нагрузки равно среднему выпрямленному значению тока источника, и работа выпрямителя особенностей не имеет. При неизменной времени цепи нагрузки большей, чем продолжительность спада тока источника, среднее значение тока нагрузки отличается от среднего выпрямленного тока источника, и чем больше неизменная времени цепи нагрузки, тем больше эта разница.

Данный эффект разъясняется тем, что в период времени t0 ÷ t1 (рис. 3в) индуктивность нагрузки припасает энергию, а в период времени t1 ÷ t4 запасенная энергия выделяется на сопротивлении нагрузки через контур, образованный открытыми диодиками выпрямителя и RL-нагрузкой (рис. 3а), по закону:

Многовыходовые источники тока для заряда батарей

где Iист.т — амплитуда тока источника; τH = LH/RH- неизменная времени цепи.

Из анализа этого выражения и рис. 3 следует, что работа выпрямителя на RL-нагрузку существенно находится в зависимости от формы входного тока.

Необходимо подчеркнуть, что это явление типично не только лишь для многоканальных структур, да и для одноканальных с выходом на неизменном токе и стабилизацией по первичной цепи регулятора, использующего фазовый способ регулирования.

Процессы, протекающие при всем этом в выходном выпрямителе, можно разглядеть в схеме замещения, представленной на рис. 3б, где выпрямитель заменен модуль-функцией |I|, а для обеспечения требуемых контуров протекания тока, характеризующего работу выпрямителя, включены диоды VD1, VD2.

Работа схемы рассмотрена на примере источника переменного тока трапециедальной формы с изменяемыми временными интервалами. Изменение временных интервалов позволяет получить фактически всякую форму тока. Временные диаграммы токов представлены на рис. 3в.

Варьируя характеристики цепи нагрузки, форму и частоту входного тока, можно разглядеть связь токов источника и нагрузки.

Из анализа приобретенных зависимостей следует, что наибольшее воздействие характеристик цепи нагрузки на величину ΔIт.ср. отмечается при прямоугольной форме тока с нулевой паузой (широтно-импульсное регулирование), а меньшее — при треугольной форме. Стопроцентно отсутствует это явление в токе типа «меандр» (амплитудное регулирование).

На основании приведенных исследовательских работ также можно прийти к выводу, что рассогласование средних значений токов входа и выхода выпрямительных ячеек находится в зависимости от неизменной времени цепи нагрузки и от частоты входного тока. При всем этом, чем выше частота преобразования, тем посильнее воздействие характеристик канала заряда (которые можно считать постоянными) на среднее значение величины тока заряда.

В связи с этим при проектировании многоканальных источников тока очень принципиальным становится выбор типа источника тока.

На основании экспериментальных исследовательских работ работы выпрямителя на RL-нагрузку можно сформировать требования, которым должен удовлетворять источник переменного тока для многоканального стабилизатора тока:

  • при выборе частоты преобразования (для понижения массы и габаритов источника) нужно учесть характеристики цепи нагрузки;
  • выходной ток регулятора по форме должен быть близким к форме типа «меандр» либо треугольным.

Эти выводы совершенно точно приводят разработчика силовой электрической аппаратуры к выбору регулятора переменного тока на базе дросселей насыщения.

Регуляторы переменного тока на базе дросселей насыщения являются фактически единственными регуляторами, владеющими качествами источника тока как в статическом, так и в динамическом режимах. За счет конфигурации характеристик цепи управления (Ly) можно получить два вида регуляторов тока, обусловленных 2-мя граничными режимами работы дроссельного регулятора тока. В случае, если величина Ly стремится к нулю, реализуется режим «свободного намагничивания», который характеризу
ется фазовым методом регулирования выходного тока. Если значение Ly стремится к бесконечности, появляется режим «вынужденного намагничивания», который обеспечивает амплитудное регулирование выходного тока при форме выходного тока типа «меандр». При определенном значении величины Ly можно получить комбинированный режим регулирования, в каком сразу с конфигурацией амплитуды тока изменяется и продолжительность времени паузы меж примыкающими импульсами, при всем этом форма выходного тока близка к треугольной.