УДК 621.314:621.316.728

Б. В. Кабелев

РЕГУЛИРУЕМЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ЗАРЯДКИ ЕМКОСТНЫХ НАКОПИТЕЛЕЙ

Технико-экономическая эффективность и надежность импульснызс установок в значительной степени зависят от организации режима bi

подсистеме источник электропитания - зарядный преобразователь - накопитель электроэнергии [1...3]. Миниатюризация зарядных преобразователей усложняется циклическим нестационарным характером процессов при изменении эквивалентного сопротивления нагрузки от короткого замыкания до холостого хода, необходимостью обеспечения, расчетных режимов зарядки в широком диапазоне параметров накопителей электрической энергии, граничных условий и коэффициентов передачи напряжения.

Квазистационариость переходного процесса в зарядной подсистеме с обеспечением стабильности средней за цикл зарядной мощности Р и максимального напряжения иа накопителе Ucm дает основания дл анализа зарядных преобразователей в целом методами, используемыми при исследовании стабилизаторов напряжения [4], в дополнение к, обычно применяемому анализу зарядных процессов в эквивалентном RLC-коитуре [1 ...3, 5, 6].

Основой зарядных преобразователей являются три одиотактных регулятора, образуемых различными соединениями ключа, индуктивного элемента (дросселя) L и диода относительно емкости С: схема / - с последовательным ключом и последовательным дросселем; схема II -с последовательным дросселем и параллельным ключом; схема / - с последовательным ключом и параллельным дросселем. По характеру электрических процессов преобразования энергии в таких регуляторах и их трансформаторных аналогах [4] оптимизация режимов зарядки емкости, подключенной к выходу, обеспечивается обращением преобразователей из источников напряжения в источники тока пр стабилизации с ограниченной пульсацией полного тока дросселя h-Этим также обеспечивается возможность ограничения амплитуд токов через ключи, диоды и обмотки трансформатора и нормализации их режимов. Наиболее часто зарядные преобразователи реализуются иа базе схемы / и ее трансформаторных аналогов, а для оптимизации зарядного процесса в эквивалентном ЯС-коитуре по максимуму КПД в них обычно задается режим стабилизации зарядного тока /ca=const [5]. Получение достаточно высокой энергетической эффективности в таких преобразователях хотя и согласуется с приведенным выше решением по оптимизации зарядной подсистемы, но является частичным, так как в ней развивается низкочастотная модуляция напряжения первичного источника электропитания Un-

Как альтернатива разрабатываются зарядные преобразователи по схеме / с режимом стабилизации потребляемого тока /п [3, 6, 7]. Но в них вследствие стабилизации зарядной мощности p3=r\UnIn на выходе в начальный период зарядки при малом начальном напряжении на емкостном накопителе Uco возникает значительная форсировка и неравномерность по току в дросселе, трансформаторе, ключах и диодах. Из-за этого увеличивается установленная мощность этих элементов и снижается эффективность преобразователя.

Наилучшее приближение к оптимальной подсистеме обеспечивается зарядным преобразователем по схеме с режимом стабилизации потребляемого тока /п-const [8]. Однако его применение ограннчеио из-за неуправляемости процесса зарядки при напряжении иа накопителе ucOitUa и начального броска тока с амплитудой, тем большей, чем выше отношение частоты преобразования к частоте следования разрядов (лт=ш)2/а11 - коэффициент трансформации).

Возможные схемы регулируемых зарядных преобразователей различаются схемой регулятора (/, , /), режимом работы трансформатора (однотактные и двухтактные), а также числом и схемой соединений управляемых ключей на первичной стороне (рис. 1). Из них наиболее целесообразны следующие схемы:

к TV)

Рис. 1. Основные схемы регулируемых зарядных преобразователей 102

la - однотактная, трансформатор со вспомогательной размагничивающей обмоткой, один последовательный ключ, дроссель на вторичной стороне после выпрямителя;

/б -двухтактная, трансформатор со средней точкой первичной обмотки, два парафазных последовательных ключа, дроссель на вторичной стороне (рис. 1,а);

/б - двухтактная, трансформатор и четыре ключа образуют мостовую схему, дроссель на вторичной стороне;

а - однотактная, трансформатор со вспомогательной размагничивающей обмоткой, один ключ параллельный, второй последовательный, дроссель на первичной стороне;

7/6- двухтактная, трансформатор с первичной обмоткой со средней точкой, два ключа, каждый из которых выполняет попеременно роль последовательного или параллельного ключа, дроссель на первичной стороне;

Пв - двухтактная, трансформатор с обмоткой со средней точкой, один параллельный ключ и два последовательных (рис. 1,6);

г - двухтактная, трансформатор и четыре ключа по мостовой схеме, работающие попарно и попеременно в качестве параллельного или последовательного ключа, дроссель на первичной стороне;

/ - однотактная, дроссель с двумя обмотками, один параллельный ключ (рис. \,в).

Основными параметрами для описания зарядных преобразователей являются зарядная мощность Рз и максимальное напряжение на емкостном накопителе Ucm, а дополнительными - время (период) зарядки Гз, емкость накопителя Сн и начальное напряжение на нем Uco. Учет неидеальности процесса передачи энергии при преобразовании и зарядке на данной стадии анализа можно осуществить условным увеличением расчетной мощности преобразователя Р=Рз/т) и принять эту величину за базовую. Аналогично задается расчетный период зарядки Т = =г\Тз.

Используя основные соотношения установившегося процесса в импульсных регуляторах напряжения [4], принятый квазиоптимальный закон стабилизации полного тока дросселя h с ограниченной пульсацией, и считая процесс зарядки квазиустановившимся на основании того, что частота преобразования f l/Г, получаем закономерность изменения напряжения на емкостном накопителе при 0