CC BY
165
при различных Кш и и*. Видно, что с увеличением 8 количество циклов возрастает практически по линейному закону. Это объясняется тем, что с ростом 8 обратно пропорционально уменьшается т*, а, следовательно, и сама постоянная времени токоформирующей цепи. Это приводит к сокращению продолжительности переходных процессов, а, следовательно, и к уменьшению длительности цикла работы ключа. Наименьшая скорость изменения N с ростом 8 наблюдается при максимальных Кпл (величина и* фиксирована) и максимальных значениях и* (Кпл фиксирован). С уменьшением как Кпл, так и и* скорость изменения N возрастает. Это связано с тем, что с уменьшением Кпл уменьшается размах пульсаций тока дросселя, а, следовательно, снижаются длительности этапов нарастания и спада тока /£, и, соответственно, Тк*. С уменьшением и* увеличивается величина рабочего напряжения на обмотке дросселя, следовательно, возрастает скорость изменения тока /£, что приводит к уменьшению /н*, а, соответственно, и Тк*.
Выводы
1. Проведен анализ индуктивно-ключевого формирователя однополярного квазисинусоидаль-ного тока. Предложен интегральный параметр - количество циклов работы ключа, что позволяет оценить параметры формируемого тока и предъявить требования к частотным свойствам элементов схемы формирователя.
2. Получены соотношения, позволяющие проследить тенденции и характер изменения временных параметров переходных процессов, происходящих в токоформирующей цепи и произвести их расчет для заданных параметров нагрузки и тока.
3. Установлено, что тенденции изменения временных параметров обусловлены величиной напряжения, прикладываемого к дросселю формирователя в каждом цикле работы ключа, а также соотношением периода формируемого тока и постоянной времени токоформирующей цепи.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Багинский Б.А., Гребенников В.В., Нигоф Б.М. Огородников Д.Н., Ярославцев Е.В. Модуляционный формирователь квази-синусоидального асимметричного тока // Приборы и техника эксперимента. - 2001. - № 2. - С. 121-123.
2. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники. Изд. 2-е, испр. и доп. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003. - 664 с.
3. Попов В.П. Основы теории цепей. Изд. 3-е, испр. - М.: Высшая школа, 2000. - 575 с.
Поступила 14.10.2011 г.
УДК 621.314
ИНВЕРТОРНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ ЗАРЯДА ЕМКОСТНОГО НАКОПИТЕЛЯ
Е.Ю. Буркин, В.В. Свиридов, Е.Ю. Степанов
Томский политехнический университет E-mail: burkin@gmail.com
Дан краткий обзор теории заряда емкостного накопителя. Описано и исследовано схемное решение для увеличения мощности, передаваемой в нагрузку в течение рабочего цикла заряда емкостного накопителя на основе формирования ступенчатого зарядного тока.
Ключевые слова:
Источник для заряда емкостного накопителя, инверторный источник питания, оптимизация зарядного процесса.
Key words:
Capacitor charging circuit, inverter power supply, charging efficiency optimization.
В настоящее время широко распространен способ аккумулирования больших энергий, основанный на применении в качестве накопителей батарей конденсаторов. Батареи конденсаторов используются для получения импульсов тока самой различной длительности и энергии - от десятков Дж до десятков МДж. К достоинствам емкостных накопителей энергии, обусловившим их широкое распространение, следует отнести простоту осуществления коммутаций при заряде и разряде ба-
тареи конденсаторов и возможность строгого дозирования накопленной энергии посредством стабилизации уровня зарядного напряжения.
В работах [1-4] описаны наиболее известные схемы источников для заряда емкостных накопителей энергии (ЕНЭ). Однако предложенные пути повышения коэффициента полезного действия ведут к увеличению количества элементов схемы и, как следствие, изменению массогабаритных параметров.
Целью данной работы является анализ и оптимизация процесса заряда емкостного накопителя с учетом потерь на элементах схемы.
Спецификой преобразователей для заряда ЕНЭ является построение их в виде стабилизаторов выходного тока, обеспечивающих ограничение и формирование кривой зарядного тока по заданному закону при изменении выходного напряжения в процессе заряда ЕНЭ в широком диапазоне. Большое число устройств в настоящее время реализуют режим практически неизменного зарядного тока, поскольку работа элементов преобразователя в этом режиме в наибольшей степени приближается к оптимальной с точки зрения потерь и характеризуется высокими значениями коэффициентов расчетной мощности. Однако, постоянное, практически линейное по форме, изменение выходного напряжения в этом режиме приводит к тому, что мощность, передаваемая от источника питания в ЕНЭ, также изменяется по линейному закону, достигая в конце зарядного цикла амплитудного значения в два раза превышающего среднее. Для реализации режима неизменной передаваемой мощности необходимо сформировать зарядный ток, изменяющийся по достаточно сложному закону, рис. 1.
Р
Ь ) = -
где Pm - заданная мощность; C - емкость накопителя; ПЕ0 - начальное значение напряжения на накопителе.
зарядного тока стремится к бесконечности. В этом случае начальный этап заряда ЕНЭ происходит в режиме ограничения выходного тока источника питания, и, как следствие, уменьшения выходной мощности. В качестве параметра, характеризующего степень отклонения практически осуществимого режима заряда ЕНЭ от идеального режима передачи неизменной мощности, обычно используют коэффициент амплитуды мощности
Р
к __ тах
ар р ’
ср
где Pmax, Pср - соответственно максимальная и средняя мощности, передаваемые преобразователем в процессе заряда ЕНЭ.
Эффективным способом формирования зарядного тока является построение системы заряда в виде структуры, реализующей ступенчато-падающий ток. В этом случае амплитуда и длительность ступеней зарядного тока выбираются из условия обеспечения минимума 1^. Такой подход позволяет получить минимальный интервал зарядного цикла, однако практическая реализация такой системы приводит либо к увеличению расчетной мощности выходного трансформаторно-выпрямительного блока, либо к увеличенным потерям по сравнению с режимом неизменного зарядного тока.
Предлагаемый способ формирования ступенчато-падающего зарядного тока заключается в переключении, по мере заряда ЕНЭ, выходных выпрямителей инвертора тока с параллельного соединения в последовательное, причем параметры напряжения и тока выпрямителей задаются одинаковыми. Таким образом, в течение всего времени заряда, обеспечивается непрерывная работа всех компонентов силовой части источника питания в режиме постоянного тока, что обеспечивает при прочих равных условиях уменьшение потерь по сравнению с режимом формирования ступеней зарядного тока, обеспечивающего минимум коэффициента амплитуды мощности.
Если при произвольных параметрах ступенчатого зарядного тока в конденсатор передается фиксированная энергия, то при равенстве амплитуд мощности справедливо следующее выражение:
к ) _ Ртах _ 2 ар - р -
срЫ
(1)
Рис. 1. Ток и напряжение заряда в режимах неизменной передаваемой мощности - -зр, изр, и постоянного зарядного тока - ¡з„ и.. Здесь иСшх - максимальное напряжение накопителя, -=/з - относительный интервал зарядного цикла, где з - время заряда ЕНЭ постоянным током
Видно, что ток заряда изменяется в широком диапазоне и, в случае прямого синтеза, приводит к существенному увеличению расчетных мощностей компонентов преобразователя и, в целом, неэффективному их использованию. Мало того, в случае относительно малых значений начального напряжения на накопителе (вполне реалистичным является и нулевое значение) расчетное значение
где -длительность зарядного цикла при одноступенчатом зарядном токе; PcpN - средняя передаваемая мощность для ^ступенчатого зарядного тока.
Полагая, что в конце каждой ступени тока передаваемая в накопитель мощность максимальна и равна определенному постоянному значению Pmax=const, можно записать:
Щ _ 12и2 _ ... _ 1пип _ ... _ 1ыис тах, (2)
где ^ - амплитуда соответствующей ступени тока, Пп - величина напряжения в конце текущей ступени тока, Пом,, - максимальное напряжение на накопителе в конце зарядного цикла. При выполнении равенства (2) очевидно, что амплитуда одно-
ступенчатого зарядного тока 1Я равна амплитуде последней ступени 1К при многоступенчатом зарядном токе. Учитывая это, выражение (2) в относительных единицах запишется следующим образом
ЛА = 1,
Ai. =
1
■X-- _1 , n = 2,3,...N.
I2 LL
n n-1
Очевидно, что общее время заряда определяется суммой временных интервалов ступеней зарядного тока
N 1 N 1 1
Д (, = £ Д ,n = _■ +■£=; - —-. (6)
n=1 ■'l n= 2 ¡n ¡n¡n-1
Выражение (6) является функцией и-1 переменных, и экстремум может быть определен путем решения системы уравнений в частных производных по каждой из переменных:
= 0. (7)
d¡n ( )
С учетом (6) уравнение (7) можно представить следующим образом:
dt^
di.
Л - k ¿
In2 _ In
8I.
= 0,
где
k =
=, n = 1;
+ ^^, n = 2,3,..., N -1;
In-1
1
-, n = N.
(8)
ГДе In = In/Isl, Un = UJUC max, (3)
С другой стороны, приращение заряда емкостного накопителя на каждой ступени зарядного тока определяется простым соотношением
г и = i;a1-,
[Un - Un-l = In atn, n = 2,3,...N, (4)
— A tn
где Atn = —- - относительная длительность и-й U
tsl
ступени зарядного тока.
Математические зависимости, описанные выражениями (1)-(4), следует дополнить графиками рис. 2, а-в. Данные графики показывают характер изменения электрических параметров при различных методах заряда накопителя.
Отсюда, с учетом выражения (3), для относительного интервала ступени зарядного тока (4) можно записать
3
1Д
(5)
Рз 1,
*ЗСІ
• і / *зс2 /
і і / і *зп
і і і і
0,2 0,4 0,6 0,8 1, a \
мзс1_ ✓ 0 У 0
изс2 / 0 / 0 * Чзп
Jé » 0 У 0 У
ft ( > ✓ 0 У 0
/ / И 0 г * Я 0
0,2 0,4 0,6 0,8 1, б
/ А ñ . / і Рзс\*? / К sX ¡H 1 0 У 0 У 0
1 ' и 1 1 ГЇ У 0 * Рзп
Г 1 Рзс2 0 У 0 у 1 1
]/ У 0 / 0 1 1 1
1 / í 0 * 1 1
t
0,2
0,4 0,6 0,8 1,0
в
Рис 2. Сравнительные зависимости для различных режимов формирования зарядного тока: а) относительный ступенчатый зарядный ток -з; б) напряжение из; в) мгновенная мощность Рз. Здесь -с, из11, Рс - ток, напряже_ние_и мощность для обеспечения минимума Кар; -зс2, из2 Рзс2 - равномерные ступени зарядного тока при переключении с параллельного соединения в последовательное
После дифференцирования (8), окончательно, получим
(
К = 1
С
k-2¿ | = 0.
(9)
Решение системы (9) методом Гаусса ведет к следующему результату
2
2
N-1
7 = N.
(10)
Подставив полученное соотношение в (6) и учитывая (1), получим зависимости относительного времени заряда и коэффициента амплитуды мощности от числа ступеней зарядного тока:
Л- N +1
А *з =----------------,
3 2 N '
) = 2 Т = —.
ар з N
(11)
Выражения (10) и (11) определяют параметры ступеней зарядного тока, обеспечивающие минимальное значение коэффициента амплитуды мощности. В свою очередь, при формировании зарядного тока путем переключения эквивалентных выпрямительных ячеек с параллельного соединения в последовательное относительная величина ступеней зарядного тока определяется следующим соотношением:
2N-1
7 =
2п
-1
Используя выражения (1), (5) и (6), получаем зависимости для коэффициента амплитуды мощности и относительных временных интервалов зарядного цикла. Сравнительные характеристики двух способов формирования ступенчатого зарядного тока сведены в таблице. Анализ показывает, что увеличение зарядного цикла при формировании ступенчатого зарядного тока путем переключения одинаковых ячеек с параллельного соединения в последовательное по сравнению с режимом оптимального формирования ступеней не превышает 15 % при количестве ступеней N<6.
Для проведения исследований был смонтирован макет инверторного источника питания. Принципиальная схема источника приведена на рис. 3, а внешний вид на рис. 4.
Устройство представляет собой стабилизатор постоянного тока. Принцип действия основан на модуляционном формировании постоянного тока дросселя с последующим его инвертированием, согласованием с нагрузкой и выпрямлением. Напряжение входной трехфазной питающей сети
выпрямляется мостовым выпрямителем и фильтруется Г-образным ХС-фильтром. Входной выпрямитель и фильтр на схеме не показаны, т. к. выполняют очевидные функции. Постоянное напряжение с выхода сглаживающего фильтра поступает на импульсный стабилизатор тока. Основой стабилизатора является блок силовых транзисторов и дроссель. За счет периодической коммутации силовых транзисторов на фиксированной частоте происходит модуляция тока дросселя. Стабилизация и регулирование среднего значения тока дросселя и, как следствие, зарядного тока осуществляется путем широтно-импульсной модуляции. Схемное решение стабилизатора тока представляет собой двухканальный преобразователь постоянного тока понижающего типа. Управление силовыми транзисторами осуществляется через специализированные схемы - драйверы управления, которые обеспечивают энергетическое согласование логического сигнала управления и управляющего сигнала необходимого для работы силового транзистора. Сигнал обратной связи для обеспечения режима стабилизации зарядного тока берется с измерительных датчиков тока и поступает на систему управления.
Таблица. Сравнительные характеристики способов формирования ступенчатого зарядного тока
Режим форми- рования тока Относительная величина тока ступени Ы/Ь Относительная величина напряжения накопителя в конце п-й ступени тока -п=ип/ иСтах Относительная длительность интервала ступени тока АЇ„=Аї„/їз Коэффициент амплитуды мощности КРр
1 (мин. ї) Л/п П/Л 2п (1 + N) N (Л+1)/Л
2 (равн.ст) 2ЛЧ/2<"-1) 1/2(Л-”> 6/(4+ 2), п=1 3 ■ 4(п-1) V , п>1 ^ + 2) 1 (1+$.)
Примечание: N - количество ступеней тока; Ьз ного цикла.
■ время заряд-
Рис.3. Принципиальная схема источника для заряда емкостного накопителя. СУ - система управления
п
После стабилизатора постоянный ток поступает на высокочастотный инвертор тока, работающий на фиксированной частоте с максимальным коэффициентом заполнения. Основу блока составляют силовые транзисторные модули, которые управляются с помощью драйверов. Переменный ток поступает на повышающий трансформатор, обеспечивающий помимо гальванической развязки выходных цепей согласование выходного и входного напряжений. Для формирования постоянного зарядного тока используется выходной выпрямитель.
Рис. 4. Внешний вид макета источника питания
Для создания ступенчатого снижения зарядного тока в схему макета включается высоковольтный ключ УТ7, рис. 3. Поясним принцип работы прибора с использованием ключа. В процессе заряда емкостного накопителя от 0 до 500 В ключ УТ7 открыт. Соответственно две половины выходного выпрямительного моста (УD7-VD10 и УD13-УD16 на рис. 3) работают параллельно. Таким образом, максимальная амплитуда напряжения на выпрямителе на первом этапе заряда равна 500 В. Ток в зарядной цепи на данном этапе будет в два раза выше, чем при номинальной амплитуде Кном=1000 В. При достижении разности потенциалов на емкостном на-
копителе значения Ц=500 В ключ замыкается, и весь мост включается последовательно. В этот момент амплитуда зарядного напряжения увеличивается до 1000 В, а зарядный ток снижается в два раза.
На рис. 5, а, приведена осциллограмма процесса заряда емкостного накопителя без использования высоковольтного ключа. Процесс протекает при неизменном токе. Здесь канал 1 - разность потенциалов на емкостном накопителе энергии, канал 2 - зарядный ток. Масштаб напряжения по оси OY 200 В на деление. Масштаб тока, пересчитанный исходя из параметров датчика CSNF-161, составляет 6,7 А на деление. Из рис. 5 видно, что среднее значение тока является практически постоянным в течение всего времени заряда и составляет ~6 А, напряжение на нагрузке возрастает линейно. Время заряда составляет ~65 мс.
Анализируя осциллограмму рис. 5, б, заряда при ступенчатом снижении зарядного тока, получаем время зарядного цикла /=50 мс. Это на 15 мс меньше, чем при работе источника питания в режиме заряда постоянным током.
Используя данные обоих экспериментов, рассчитаем мощность, выделенную в нагрузке при различных способах заряда. Для этого воспользуемся формулой мощности при заряде емкостного накопителя постоянным током [1]:
I . р _ Pm
ср _
-t,
Р = Р у ■■
ср 2 С ' с 2
Значение средней мощности, выделенной в нагрузке, можно определить исходя из линейности ее нарастания при заряде постоянным током. Для режима постоянного тока примем у=1. Тогда имеем:
P _■
-------- • 0,065 = 3250 Вт.
2 • 360-10-6
Для режима ступенчатого снижения зарядного тока расчет суммарной выделенной мощности нужно разделить на два этапа. Для каждой части
HRIH 116ms
CHI — 208U СН2 — 1U
і I .... I ■
ICH1 EDGE S ИН1Н 110ms ІСН1 EDGE S
CHI — 200U CH2 — 1U
Рис. 5. Напряжение на выходе (канал 1) изарядный ток (канал 2): а) заряд постоянным током; б) ступенчатое снижение зарядного тока
2
расчета используем формулу нахождения мощности при заряде постоянным током. Подставив значения с осциллограмм, получим:
Р = С ( 2>* ») =
2 • 0,02 + 003 | = 5500 Вт.
Полученные цифры показывают мощность, потраченную на заряд емкостного накопителя в единицу времени. По результатам расчета можно сделать вывод, что значение переданной в нагрузку энергии при ступенчатом снижении зарядного тока на ~70 % превышает аналогичную величину при заряде постоянным током. При этом напряжение и ток первичной цепи остаются неизменными.
Примененное в работе схемное решение является простым и не представляет сложности в управлении. Заметим, что в схеме источника работают
параллельно два преобразователя постоянного напряжения с одинаковыми параметрами, работающими в режиме стабилизации зарядного тока. Такое решение позволяет уменьшить пульсацию зарядного тока и распределить по каналам передаваемую мощность.
Выводы
Описан и исследован стабилизатор зарядного тока емкостного накопителя с повышенной мощностью, передаваемой в нагрузку в течение рабочего цикла. Результаты расчетов мощности, выделяемой в нагрузке, показали возможность ее увеличения при формировании ступенчатого зарядного тока. Поскольку процесс заряда сократился во времени с 65 до 50 мс, КПД устройства по сравнению с прототипом на основе заряда постоянным током вырос на 20 %. Одновременно достигнуто повышение частоты зарядно-разрядных циклов емкостного накопителя.
6
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Пентегов Е.В. Основы теории зарядных цепей емкостных накопителей энергии. - Киев: Наукова думка, 1982. - 406 с. Багинский Б.А. Бестрансформаторные преобразователи переменного напряжения в постоянное. - Томск: Изд-во ТПУ, 1990. - 220 с.
Булатов О.Г Полупроводниковые зарядные устройства емкостных накопителей энергии. - М.: Радио и связь, 1986. -160 с.
Кныш В. А. Полупроводниковые преобразователи в системах заряда накопительных конденсаторов. Л.: Энергоатомиздат, 1981. 160 с.
Поступила 17.05.2011 г.
УДК 621.3.082
ИССЛЕДОВАНИЕ ШИРОКОДИАПАЗОННЫХ ПЬЕЗОКВАРЦЕВЫХ ВЛАГОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
В.Е. Иващенко, В.Г. Мазур, А.Д. Пудалов
Ангарская государственная техническая академия, г. Ангарск E-mail: systems-ntfs@mail.ru
Предложен пьезосорбционный метод измерения влажности газов и жидких органических соединений в диапазоне от 0до100%. В основе метода измерений лежит одновременное использование двух типов сорбентов. Результатом исследования является расчет их оптимальных соотношений.
Ключевые слова:
Влажность, измерение, сорбент, пьезосорбционный чувствительный элемент, частота, газ, органическая жидкость, диапазон концентраций.
Key words:
Humidity, measurement, sorbent, piezosorption sensitive element, frequency, gas, organic liquid, range of concentrations.
Во многих отраслях промышленности и в целом ряде областей научных исследований приходится сталкиваться с решением задач, связанных с измерением влажности газов и жидких органических соединений.
Современные приборы, предназначенные для измерения влажности газов и жидкостей, позволя-
ют осуществлять измерения либо в диапазоне ми-кро-, либо макроконцентраций [1-4]. Приборы, которые бы охватывали весь диапазон измерений, включая низкие, средние и макроконцентрации, отсутствуют, что может приводить к снижению эффективности управления технологическими процессами. С появлением такого прибора многие за-
