6.3. Управляемый резонансно-диодный заряд емкостных накопителей

При всех преимуществах резонансно-диодного заряда у него существует один недостаток, связанный с трудностью регулирования и стабилизации напряжения заряда емкостных накопителей. Это связано с тем, что напряжение заряда однозначно определяется напряжением источника питания, которое должно быть как стабилизированым, так и регулируемым в достаточно широких пределах. В мощных зарядных устройствах обычно используются уп­равляемые выпрямители со всеми присущими им недостатками, так как они обладают большой инерционностью и сравнительно низким коэффициентом мощности при относительно глубоком регулировании уровня выходного напряжения. В качестве зарядных устройств, лишенных подобных недостатков, могут использоваться широтно-импульсные регуляторы, высокочастотные преобразователи (инверторы) и т. п. Но эти устройства сами по себе достаточны сложны, требуют сложных систем управления, а при необходимости создания зарядных устройств, мощности которых составляют десятки и сотн

Рис. 6.12

и киловатт, порой, становятся неприемлемыми. При этом в любом из та­ких устройств обязательно присутст­вуют либо согласующий сетевой транс­форматор и неуправляемый многофазный выпрямитель, либо неуправляемый выпрямитель, включенный непосредственно в трехфазную сеть. Вот почему большой интерес представляют зарядные устройства, в которых используется управляемый резонансно-диодный заряд. На рис. 6.12 приведена одна из возможных схем, обеспечивающих такой заряд.

Принцип работы этой схемы состоит в следующем. Полностью управляемый ключ К₁ подключает источник напряжения Е к цепи заряда на время t_к, определяемое системой управления. В том случае, когда t_к >  , напряжение заряда накопителя С будет U_С = 2E. При необходимости уменьшения напряжения заряда установим время t_к <  . Как следует из (6.6) и (6.7), в отсутствие потерь в зарядной цепи и нулевых начальных условиях напряжение накопителя в этот момент времени будет

, (6.15)

а ток заряда

. (6.16)

В связи с этим после отключения ключа К₁ процесс заряда будет про­должаться и энергия, запасенная в зарядной индуктивности, добавится в накопитель. Суммарная энергия, запасенная в накопителе в процессе заряда,

.

Напряжение заряда накопителя

. (6.17)

С учетом (6.15) и (6.16) зависимость (6.17) перепишем следующим образом:

. (6.18)

На рис. 6.13 приведены зависимости напряжения и тока заряда и для различных значений величин t_к в нормированном виде, где величина . Кривая напряжения 1 соответствует величине  = , кри­вая 2 –  = 0,5, кривая 3 –  = 0,33 и кривая 4 –  = 0,17. Уровни заряда U_С, соответственно, равны 2 (кривая 1), (кривая 2), 1 (кривая 3) и 0,5 (кривая 4). Токи заряда имеют различные амплитуды, определяемые величиной , причем максимальное относительное значение тока (кривая 1) равно 1.

Рис. 6.13

Недостатком рассматриваемого решения является сложность стабилизации напряжения заряда емкостного накопителя, так как значение этого на­пряжения пропорционально напряжению источника питания Е (6.18). При этом нестабильность сети питания проявляется и в нестабильности величины Е. Вот почему система управления, способная стабилизировать время включенного состояния ключа заряда К₁, не обеспечивает стабильность напряжения заряда U_С. Если в системе управления используется "пороговый" закон управления, то она отключает ключ при достижении напряжением накопителя заданного и стабилизированного уровня. Однако при этом добавка энергии, определяемая током зарядной индуктивности, все равно остается нестабильной и пропорциональной . В данном случае возникает необходимость в сложной системе управления, способной в режиме реального времени вычислять суммарную энергию накопителя и зарядной индуктивности и отключать ключ при достижении этой суммой заданной величины.

В тех случаях, когда диапазон регулирования напряжения заряда лежит в пределах , может быть использована схема, приведенная на рис. 6.14 [22].

Рис. 6.14

В отличие от предыдущей схемы регулируемого резонансно-диодного заряда (см. рис. 6.12), в эту схему добавлены еще два полууправляемых вентиля VT₁ и VT₂. При одновременном включении ключа К и вентиля VТ₁ начинается процесс заряда накопителя С. По достижении напряжением накопителя заданной величины включается вентиль VТ₂. Ток заряда емкости С при этом практически мгновенно прекращается, так как к вентилю VТ₁ прикладывается обратное напряжение , а ток индуктивности L_з на небольшой отрезок времени замыкается в контуре L_з – VТ₂ – К. После этого выключается ключ К и ток индуктивности перебрасывается в контур VD₀ – L_з – VТ₂ – Е. Энергия, запасенная к моменту коммутации вентиля VТ₁ в зарядной индуктивности L_з, возвращается в источник напряжения Е. Такое зарядное устройство обеспечивает высокую точность стабилизации напряжения заряда емкостного накопителя даже при существенной нестабильности питающей сети.