6. Зарядные устройства емкостных накопителей

Существует множество схемных решений зарядных устройств емкостных накопителей. Разработка, проектирование и исследование этих устройств представляют собой достаточно сложную и самостоятельную задачу, формально не относящуюся к задачам силовой импульсной техники, в которой в первую очередь решаются проблемы формирования импульсов тока или напряжения на нагрузках различных видов. Скорее всего задача заряда емкостных накопителей относится к области силовой преобразовательной техники, но, тем не менее, при разработке и проектировании мощных генераторов импульсов проектировщику приходится решать и ее. Общим для всех зарядных устройств являются требования обеспечения временных и амплитудных параметров генераторов импульсов, т. е. обеспечение заряда накопителя до номинального значения зарядного напряжения за время минимальной паузы между импульсами. При этом обязательным условием является ограничение тока короткого замыкания зарядного устройства, поскольку в начальный момент заряда непосредственно от источника ЭДС ток заряда емкостного накопителя ничем не ограничен. Также необходимо обеспечить высокое значение КПД зарядного устройства при минимально возможных массогабаритных показателях.

Существующие схемные решения зарядных устройств достаточно разнообразны и трудно поддаются какой либо классификации. В силу этого автор настоящего издания вынужден ограничиться рассмотрением классических схемных решений, в которых рассматривается заряд либо от идеального источника ЭДС, либо заряд от источника тока, созданного на основе индуктивно-емкостных преобразователей. При этом необходимо пом­нить, что на практике источник ЭДС представляет собой промежуточный емкостный накопитель, величина которого как минимум на порядок должна превышать величину емкости основного накопителя-формирователя. На­пряжение на этом промежуточном накопителе поддерживается с помощью сетевого источника питания, который может быть выполнен как в виде сетевого трансформатора и неуправляемого или управляемого выпрямителя, так и в виде промежуточного преобразователя частоты, работающего на повышенных частотах (инвертора).

6.1. Резистивный заряд емкостных накопителей

Резистивный заряд емкостных накопителей несмотря на обычно низкий КПД ( = 0,5 в режиме полного разряда) достаточно широко применяется на практике в силу своей простоты и надежности. Обычно такой заряд используется в установках, имеющих малую среднюю мощность при низкой частоте следования импульсов тока нагрузки. Помимо этого резистивный заряд может быть использован при существенных значениях сред­ней мощности импульсных установок, если накопитель работает в режиме частичного разряда. В данном случае удается получить значения КПД более 90 % при разряде накопителя за время формирования импульса не более чем на 20 % от предразрядного напряжения. Определенным недостатком такого решения является необходимость применения в цепи разряда силовых полностью управляемых ключей, что несколько снижает надежность импульсного генератора в целом, но позволяет получать в нагрузке импульсы регулируемой частоты и регулируемой длительности только за счет изменения режимов работы полностью управляемого ключа.

На рис. 6.1 приведена простейшая схема генератора с резистивным зарядом емкостного накопителя, а на рис. 6.2 – временные зависимости тока заряда и напряжения на емкостном накопителе.

Рис. 6.1 Рис. 6.2

Аналитические расчеты КПД резистивного заряда обычно содержат экспоненциальные члены и учитывают временные интервалы процесса заряда, что усложняет инженерный расчет и не поясняет физическую сторону энергетики процессов резистивного заряда [2], [7].

В тех случаях, когда зарядный резистор является нелинейным, т. е. R_зар = f(i), или сопротивление резистора меняется в силу каких-либо причин во времени, т. е. R_зар = f(t), выбор токоограничивающего сопротивления, расчет его средней мощности и определение КПД в каждом конкретном случае становятся затруднительными.

Для того чтобы избежать сложных расчетов и одновременно получить точное значение КПД процесса резистивного заряда для произвольных зависимостей вида R_зар =const, R_зар = f(t) или R_зар = f(i), сформулируем и докажем следующую теорему.

Теорема 1. КПД процесса резистивного заряда емкостного накопителя от источника постоянного напряжения E = const инвариантен относительно каких-либо изменений значения сопротивления резистора в процессе заряда, не зависит от значения емкостного накопителя и времени заряда, а определяется только уровнями напряжения заряда U_С и остаточного напряжения U_ост.

Требуемое значение предразрядного напряжения U_С определяется нагрузкой емкостного накопителя, а значение U_ост – параметрами контура разряда и (или) режимом работы выходного ключа.

В этом случае заряд, приобретенный накопителем,

q = C(U_С – U_ост),

причем накопитель в процессе разряда может и перезаряжаться, что учитывается знаком U_ост, т. е. при неполном разряде накопителя напряжение U_ост положительно, а при перезаряде – отрицательно.

Энергия, потребленная от источника ЭДС в процессе заряда,

W_Е = qE == CE(U_С – U_ост).

Энергия, выделенная в разрядном контуре,

W_н =  ,

Определим КПД как

 = W_н/W_Е =  CE(U_С – U_ост) = (U_С + U_ост)/2E. (6.1)

Введем значения коэффициента заряда b_зар = U_С/E и коэффициента остаточного напряжения b_ост = U_ост/E.

Тогда

 = (b_зар + b_ост)/2. (6.2)

Зависимости (6.1) или (6.2) являются доказательством теоремы, поскольку ни значение зарядного резистора и его вольт-амперная характеристика, ни временные параметры и значение величины емкостного накопителя здесь не фигурируют, а КПД определяется только его предразрядным и остаточным напряжениями.

Зависимость (6.2) в случае полного разряда накопителя дает значение КПД  = 0,5 при условии U_С = E. На рис. 6.3 приведены графические зависимости для  = f(b_зар) различных значений b_ост с учетом того, что всегда

. (6.3)

Точка ( = 1,0; b_зар = 1,0) определяет отсутствие разряда, а точка ( = 0; b_зар = 0) – отсутствие заряда, что объясняется предельным переходом от значений b_зар < 1 к значению b_зар = 1 и от значений b_зар > 0 к значению b_зар = 0.

Рис. 6.3 Рис. 6.4

На рис. 6.4 приведены зависимости  = f(b_ост) для различных значений b_зар с учетом (6.3). Из рисунка наглядно видно, что использование зарядного источника, выходное напряжение которого существенно превышает максимальное напряжение заряда, т. е. E > U_С max, приводит к существенному снижению КПД процесса заряда. В тех случаях, когда энергия накопителя в нагрузке не выделяется, КПД равен либо 1,0 (b_ост = + 1), либо 0 (b_ост = –1), что достаточно тривиально, но тем не менее хорошо иллюстрирует энергетику процесса и определяет два предельных значения КПД в предельных режимах работы разрядного контура. Поскольку для резистивного заряда R_зар = const уровень U_С достигает значения E только за время t = , может возникнуть сомнение в точности оценки КПД. При выполнении условия T_зар = 3R_зарС уровень U_С = 0,95E, а при T_зар = 5R_зарС уровень U_С = 0,993E, т. е. точность оценки значения U_С превышает 5 %, что вполне достаточно для инженерных расчетов. В случае, когда R_зар = f(t) или R_зар = f(i), необходимо выбрать максимальное значение зарядного резистора R_max из условия R_max  T_зар/(3...5)C, что гарантированно обеспечит процесс заряда до значений U_С  E в заданном временнόм интервале. При этом вычисление КПД производится по (6.1) или (6.2), где всегда учитывается разность между U_С и U_ост, которые легко определяются из расчета процессов в разрядном контуре, а также сравнительно просто измеряются на практике.

При резистивном заряде емкостного накопителя, величина которого C определяется требованиями разрядного контура, основной задачей является выбор зарядного резистора. Основными параметрами, определяющими его выбор, являются номинал резистора R_зар, его средняя мощность P_ср, а также максимальное рабочее напряжение U_max. Номинал R_зар может быть определен из соотношения постоянной времени цепи заряда _зар = R_зарC и времени заряда, определяемого как  = Т – , т. е. минимальной паузы между импульсами. Для этого достаточно принять  = (3…5)_зар, что даст значение R_зар = /(3…5)C. Максимальное рабочее напряжение зарядного резистора должно равняться напряжению холостого хода источника питания, так как в начале процесса заряда все напряжение источника питания прикладывается к зарядному резистору, а начальный заряд емкостного накопителя в этот момент равен нулю. Поскольку КПД зарядной цепи определен как  = W_н/W_е, то энергия, выделенная в зарядном резисторе за один цикл заряда , и отсюда

.

Тогда средняя мощность зарядного резистора

,

где F – максимальная частота следования импульсов тока нагрузки.