Источник тока для специальных электротехнологий Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ИСТОЧНИК ТОКА ДЛЯ СПЕЦИАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЙ Л.П. Шичков, А.П. Башкирев, О.П. Мохова, А.Н. Струков, О.Д. Гулько

Аннотация. Рассмотрены вопросы применения современных электротехнологий для совершенствования трансформаторов сварочных аппаратов, гальванических установок, установках локального нагрева и зарядных

устройствах аккумуляторных батарей, путем применения в этих установках вентильно-конденсаторного преобразователя с дозированной передачей энергии, что позволит сократить их габаритные размеры, стоимость.

Приведены схемы преобразователя, дана методика его расчета и показаны режимы его использования.

Ключевые слова: электротехнологии, установки, силовой понижающий трансформатор, вентильно-конденсаторный преобразователь, фазовое управление, блок канденсаторов, источник тока, автоматическая защита, ток низкоомной нагрузки, диод, тиристор, импульсный усилитель, сопротивление, ток.

В установках электроконтактной сварки, локального электронагрева, в гальванических установках, в установках заряда аккумуляторных батарей и в ряде других электроустановках с питанием от сети переменного тока для обеспечения работы указанных электроустановок на низкоомную нагрузку и согласования параметров нагрузки с питающей сетью используют силовые понижающие трансформаторы [1]. Это приводит к существенному увеличению массогабаритных показателей таких установок и возрастанию их стоимости. В значительной степени преодолеть указанные недостатки и в ряде случаев расширить функциональные возможности указанных электроустановок можно путём замены силового понижающего трансформатора вен-тильно-конденсаторным преобразователем с дозированной передачей энергии (ВКП с ДПЭ), рисунок 1.

_ СФУ

нагрузки постоянного тока - минус нагрузки постоянного тока - диод УБ3 - минус БК. В это время диод УБ3 закрыт, так как к нему приложено обратное напряжение.

Второй такт преобразования (такт разряда ёмкости БК) осуществляется при приложении к диоду УБ1 отрицательных полуволн сетевого напряжения. В этом случае диоды УБ1 и УБ2 закрыты, а к управляющему электроду тиристора УБ1 приложено отпирающее напряжение от инвертирующего сетевое напряжение вспомогательного трансформатора ТУ1 и блока ФСУ. В результате этого, тиристор УБ1 открывается, и накопительная ёмкость БК разряжается током по цепи: плюс ёмкости БК - нагрузка переменного тока - тиристор УБ - плюс нагрузки постоянного тока - минус нагрузки постоянного тока - диод УБ3 - минус ёмкости БК. Направление тока через нагрузку переменного тока, подключённой к выходу «Выход 1~», реверсируется в каждом такте преобразования, а в нагрузке постоянного тока, подключённой к выходу «Выход 2=», в обоих тактах сохраняется.

На рисунке 2 представлены временные диаграммы, поясняющие работу преобразователя согласно схеме рисунок 1.

1 и, 1 Зона заряда Зона закрытия Зона разряда

Хи 7 • 9 . Ч^ 4-1

Т/4 Т/4

Т/2 *•"**"

4 *

Рисунок 1 - Электрическая схема источника тока для специальных электротехнологий на основе вен-тильно-конденсаторного преобразователя с дозированной передачей энергии: СФУ - система фазового управления, БК - батарея конденсаторов.

Источник технологического тока на основе ВКП с ДПЭ (рисунок 1) подключается к сети переменного тока и имеет два выхода для подключения низкоомной нагрузки переменного и постоянного тока. Первый выход «Выход 1~» предусматривает подключение нагрузки переменного тока, для которой недопустим постоянный ток. Второй выход «Выход 2=» предназначен для подключения низкоомной нагрузки постоянного тока. Таким образом, по сравнению с источником технологического тока на основе силового согласующего трансформатора источник технологического тока на основе ВКП с ДПЭ одновременно является преобразователем переменного тока в переменный и выпрямителем.

Преобразование электрической энергии переменного тока сети в переменный или постоянный ток низко-омной нагрузки по схеме рисунка 1 осуществляется в два такта. Первый такт (такт заряда батареи накопительных конденсаторов БК) производится при приложении к аноду диода УБ1 положительных полупериодов сетевого напряжения питания. При этом тиристор УБ1 закрыт из-за отсутствия напряжения управления на его управляющем электроде. Ток заряда батареи конденсаторов БК и нагрузки, подключённой к выходам преобразователя, протекает по цепи: диод УВ1 - нагрузка переменного тока - плюс БК - диод УБ2 - плюс

Рисунок 2 - Временные диаграммы работы источника технологического тока на основе двухтактного ВКП с ДПЭ согласно схеме, рисунок 1.

Регулирование тока нагрузки, подключённой к соответствующим выходам преобразователя, осуществляется батареей БК с дозирующими конденсаторами, которая содержит три независимых коммутируемых секции С1 - С3, ёмкости которых находятся в соотношении 1:2:4. Это позволяет за счёт переключателей Q1 -Q3 устанавливать семь возможных значений тока нагрузки преобразователя с одинаковой единичной дискретностью 1,2,3...7.

¡ЧУ: XV \У

Тт (

' ' II

Ту=1М*Тт | Л

Л

Рисунок 3 - Временные диаграммы работы ВКП с ДПЭ по схеме рис.1 с изменяемой СФУ частотой и скважностью выходных импульсов тока

Дополнительно, для расширения диапазона и плавности регулирования тока предусматривается система фазового управления СФУ в цепи включения силового тиристора УБ1, которая осуществляет управляемую временную задержку разряда емкости БК через тиристор УБ1. Функционирование каскада ФСУ состоит в

следующем. При отрицательной полуволне сетевого напряжения на счётный С-вход К-разрядного счётчика СТ с выхода формирователя Г тактовых импульсов поступает первый счётный импульс равный периоду сетевого напряжения Тт, рисунок 3.

Затем второй и так до тех пор, пока на выходе N разрядного счётчика СТ, подключённому к переключателю БА не появится напряжение, соответствующее определённому числу деления счётных импульсов, которое через импульсный усилитель А и развязывающий светодиод УБ4 включит тиристор УБ1 и по Я-входу обнулит счётчик СТ. При следующих отрицательных полуволнах сетевого напряжения начнётся повтор цикла работы СФУ. Процесс заряда-разряда ёмкости БК повторяется с периодом следования Ту=№Тт, где N разряд, соответствующий числу деления счётных импульсов счётчика СТ, к которому подключён переключатель БА. То есть, дополнительно реализуется широт-но-частотное регулирование тока нагрузки, рисунок 3.

Из анализа временных диаграмм, рисунок 2 и рисунок 3, следует, что во всех случаях продолжительность полного заряда накопительной ёмкости БК преобразователя до максимально возможного значения напряжения, которое определяется амплитудным значением напряжения питания ит = V2-иП , составляет четверть периода Т /4. Следовательно, максимальная ёмкость накопительного конденсатора из условия его полного заряда до амплитудного значения напряжения питания ит определится для частоты питания I = 50 Гц следующими соотношениями.

Т = 1 / I' ,

(1)

Т

1

4 4 ■ I

Из условия полного заряда накопительного конденсатора за четыре постоянных времени ^ = 4 т, где т = Я С постоянная времени переходного процесса заряда накопительного конденсатора, то максимально целесообразное значение тт из этого условия: t<г 1 1

х = — = ■

= 0,00125 с

(2)

4 16 I 16 ■ 50

Соответственно, получаем зависимость максимального значения накопительной ёмкости из условия её полного заряда до амплитудного значения напряжения питающей сети:

С =-т = -

1

0,00125 _ 1250

,Ф или С„ =-,мкФ

(3)

Я 16-/ -Я Я ...... ~т Я

Учитывая, что энергия запасаемая, а затем отдаваемая накопительным конденсатором в двухтактном преобразователе за каждый период Т сетевого напряжения осуществляется за время 2^ (Т/4), имеем соответственно и значения средней максимальной мощности Pm (Вт), отдаваемой в нагрузку с учётом полного заряда-разряда накопительного конденсатора через нагрузку:

(л/2-U п - EA )2

Р = С -10"

(4)

2

Т_ 4

где ип - действующее напряжение питающей сети переменного тока, В; ЕА - возможная противо-ЭДС, действующая со стороны нагрузки, например, при заряде аккумуляторов, В; Ст - максимальная ёмкость из условия её полного заряда до амплитудного значения

напряжением питающей сети, мкФ; T = 11- длительность периода сетевого напряжения (для 1= 50 Гц соответственно Т= 0,02 с).

Учитывая, что мощность цепи постоянного тока равна Г = U■I, с учётом (4) имеем соответствующую формулу по определению максимального действующего значения тока заряда из условия полного заряда-разряда накопительной ёмкости БК и с учётом, что значением ЕА можно пренебречь, так как ип >> ЕА имеем:

/. ■ип -Еа)2 »0Д25-2ип

0,25 ■ип

(5)

Я-и п

Я

Я

150

< 125

§ 100 £ 1т (Я)

¡у-

1т = ^Я) при Стах и Ип = 220 В

75

50 25

0123456789 10 Я

Сопротивление цепи нагрузки, Ом

Рисунок 4 - Зависимость максимального значения тока ВКП с ДПЭ от сопротивления цепи нагрузки из условия полного заряда накопительного конденсатора при напряжении питающей сети 220 В и частоте 50 Гц.

На графике рисунок 4 согласно (5) приведена зависимость максимально возможного действующего значения тока нагрузки 1т от сопротивления цепи нагрузки Я при напряжении питания преобразователя 220 В и частоте 50 Гц.

Завышение ёмкости конденсаторов накопительной БК при определённом значении сопротивления цепи нагрузки свыше рассчитанного по (3) значений, экономически не целесообразно из-за неполного заряда конденсатора напряжением сети. Кроме того, из-за уменьшения интервала времени зоны закрытия при завышенном значении ёмкости БК и больших сопротивлениях нагрузки (рисунок 2) возможно прямое подключение нагрузки к напряжению питающей сети с его однопо-лупериодным выпрямлением, что должно исключаться средствами автоматической защиты преобразователя.

Список использованных источников

1 Бар, В.И. Электротехнологические установки и их источники питания/ В.И. Бар. - Тольятти, 2002. - 105 с.

Информация об авторах

Шичков Леонид Петрович,

Башкирев Анатолий Петрович, доктор технических наук, декан инженерного факультета ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА».

Мохова Ольга Петровна, РГАЗУ, г. Балашиха, Московской области.

Струков Алексей Николаевич, РГАЗУ, г. Балашиха, Московской области.

Гулько Олег Дмитриевич, РГАЗУ, г. Балашиха, Московской области.