Способ зарядки емкостного накопителя энергии

Изобретение относится к способам зарядки емкостных накопителей энергии и может быть использовано в электрофизических установках с накопительными конденсаторами, содержащих зарядные устройства с дозирующими конденсаторами. В способе зарядки емкостного накопителя энергии рабочую частоту зарядного устройства с дозирующими конденсаторами изменяют в функции температуры структуры силовых полупроводниковых приборов зарядного устройства, ограничивая значение указанной температуры на заданном уровне. Техническим результатом является повышение надежности работы зарядных устройств с дозирующими конденсаторами, коэффициента использования первичного источника питания, а также сокращение времени зарядки. 2 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способам зарядки емкостных накопителей энергии, и может быть использовано в электрофизических установках различного назначения, содержащих зарядные устройства с дозирующими конденсаторами.

Известен способ [1], согласно которому в процессе зарядки рабочая частота зарядного устройства с дозирующими конденсаторами остается неизменной.

К недостаткам указанного способа относятся значительная токовая перегрузка силовых полупроводниковых приборов на начальной стадии зарядного цикла и невысокая коммутационная устойчивость зарядного устройства, снижающие надежность его работы.

Из известных технических решений наиболее близким к заявляемому по технической сущности является способ зарядки, согласно которому на начальной стадии зарядного цикла рабочую частоту зарядного устройства с дозирующими конденсаторами и выходную мощность, которая пропорциональна частоте, увеличивают по линейному закону [2].

Недостаток такого способа состоит в том, что выбор большой скорости нарастания частоты на начальной стадии цикла зарядки приводит к токовой перегрузке силовых полупроводниковых приборов зарядного устройства, а выбор небольших значений ведет к увеличению длительности этой стадии, времени зарядки и снижает коэффициент использования первичного источника питания, величина которого определяется в соответствии с выражением

где t_нач - длительность начальной стадии цикла, на которой частота и мощность изменяются линейно; t_зар - заданное время зарядки; Р_cp и Р_max - соответственно, среднее и максимальное значения мощности на цикле зарядки.

Кроме того, в обоих случаях не предусмотрено использования информации о температуре структуры силовых полупроводниковых приборов зарядного устройства, что снижает надежность работы устройств, реализующих этот способ.

Задача, решаемая предлагаемым способом, - повышение надежности работы зарядных устройств с дозирующими конденсаторами и коэффициента использования первичного источника питания, а также сокращение времени зарядки.

Технический результат от использования предлагаемого способа заключается в повышении надежности работы зарядных устройств с дозирующими конденсаторами при минимальном воздействии на первичный источник питания и минимальном времени зарядки.

Указанный результат достигается тем, что в способе зарядки емкостного накопителя энергии, включающем изменение рабочей частоты зарядного устройства, рабочую частоту изменяют в функции температуры структуры силовых полупроводниковых приборов зарядного устройства, ограничивая ее значение на уровне заданного, который может быть выбран равным предельно допустимому.

Способ осуществляют следующим образом.

Для реализации способа используют информацию о текущей температуре структуры силовых полупроводниковых приборов Т_j(t) зарядного устройства, которую сравнивают с заданным значением T_jзад.

Контролируют разность значений указанных температур ΔT_j(t), определяемую из равенства

ΔT_j(t)=T_j(t)-T_jmax; ΔT_j(t)=T_j(t)-T_jзад.

При выполнении условия ΔТ_j(t)<0 рабочую частоту f_р зарядного устройства с дозирующими конденсаторами выбирают исходя из требуемого среднего значения зарядной мощности Р в соответствии с выражением

где η - КПД зарядного устройства; С_д - емкость дозирующего конденсатора; U_d - напряжение первичного источника питания.

При работе зарядного устройства с указанным значением частоты токи в силовых контурах и температура структуры силовых полупроводниковых приборов на начальном этапе цикла зарядки емкостного накопителя энергии быстро возрастают. В некоторый момент времени разность температур ΔT_j(t) достигает нулевого или значения, близкого к нулевому ΔT_j(t)≈0. Начиная с этого момента, частоту f(t) снижают, а затем постепенно увеличивают таким образом, чтобы сохранялось условие ΔT_j(t)≈0 до момента времени, пока она не достигнет значения f_р. Далее частоту переключения силовых полупроводниковых приборов зарядного устройства сохраняют неизменной.

То есть в зарядном устройстве при выполнении условий

ΔT_j(t)≈0;

f(t)≤f_р

реализуют отрицательную обратную связь по температуре T_j(t).

Такой способ позволяет осуществлять начальную стадию цикла зарядки при любом заданном значении температуры структуры силовых полупроводниковых приборов, в том числе и предельном ее значении T_jзад=T_jmax, и, следовательно, обеспечить минимально возможное время зарядки емкостного накопителя энергии.

Пример осуществления способа

Способ осуществляют в соответствии со структурной схемой, изображенной на фиг.1, где: 1 - зарядное устройство; 2 - полупроводниковый преобразователь зарядного устройства; 3 - система управления зарядным устройством; 4 - датчик температуры, интегрированный в силовой полупроводниковый прибор [3]; 5 - регулятор цепи обратной связи; 6 и 7 - сумматоры; U_T - сигнал заданного значения температуры структуры силовых полупроводниковых приборов; u_T(t) - сигнал, пропорциональный текущему значению температуры структуры силовых полупроводниковых приборов; Δu_T(t) - сигнал, пропорциональный приращению температуры структуры силовых полупроводниковых приборов; U_р - сигнал заданного рабочего значения частоты; и_f(t) - сигнал управления, пропорциональный текущему значению частоты; u_к(t) - сигнал коррекции частоты.

При отсутствии в составе силовых полупроводниковых приборов зарядного устройства интегрированных датчиков температуры сигнал управления u_f(t) может быть сформирован в имитационной модели ЗУ, построенной, например, на базе микроконтроллера, в которой в реальном масштабе времени смоделированы электромагнитные и тепловые процессы, происходящие в реальном ЗУ.

На фиг.2 приведены временные зависимости температуры структуры силовых полупроводниковых приборов зарядного устройства с дозирующими конденсаторами. На диаграммах буквами обозначены: а - кривая нагрева структуры силовых полупроводниковых приборов при способе зарядки, выбранном в качестве прототипа, и малых значениях б - кривая нагрева структуры при способе зарядки, выбранном в качестве прототипа, и больших в - кривая нагрева при применении предлагаемого способа.

Принцип работы устройства, в котором осуществлен предлагаемый способ, заключается в следующем.

Регулятор 5 цепи обратной связи представляет собой нелинейное звено, имеющее следующую передаточную функцию:

где k₅ - коэффициент передачи регулятора 5.

Сигнал управления, пропорциональный текущему значению частоты u_f(t), формируемый в сумматоре 7, определяется по формуле

u_f(t)=U_p-u_к(t).

В начале цикла зарядки в устройстве, построенном по данной структурной схеме, при

ΔT_j(t)=T_jзад-T_j(t)≥0

выполняется неравенство

Δu_T(t)=U_T-u_f(t)≥0.

При этом условии передаточная функция регулятора 5 и его выходное напряжение равны нулю и, следовательно, сигнал управления u_f(t), пропорциональный текущему значению частоты, будет равен сигналу заданного рабочего значения частоты U_p, то есть

u_f(t)=U_p.

В этом случае зарядное устройство работает при наибольшей частоте и происходит быстрый нагрев структуры силовых полупроводниковых приборов. При достижении температурой значения T_jзад и выполнении соотношений ΔT_j(t)≥0 и Δu_T(t)≥0 передаточная функция регулятора 5 принимает значение

W₅(p)=k₅,

а его выходное напряжение становится равным

u_к(t)=k₅Δu_T(t).

В результате сигнал управления и u_f(t) снижается, что вызывает уменьшение рабочей частоты зарядное устройство и дальнейшую стабилизацию T_j(t) на заданном уровне (фиг.2)

T_j(t)≈Т_jзад.

При использовании в качестве регулятора 5 пропорционально-интегрального регулятора с передаточной функцией вида

где р - оператор преобразования Лапласа

приведенное приближенное равенство становится точным, то есть

T_j(t)=Т_jзад.

По мере зарядки емкостного накопителя токи в силовых цепях зарядного устройства уменьшаются, уменьшается температура структуры силовых полупроводниковых приборов, снижаются u_T(t), Δu_T(t) и u_к(t), что вызывает постепенное увеличение u_f(t) и частоты работы зарядного устройства до значения, определяемого напряжением U_p.

В процессе дальнейшей зарядки обратная связь в системе стабилизации температуры не работает и температура структуры силовых полупроводниковых приборов уменьшается (фиг.2). При этом зарядное устройство переходит в режим постоянства потребляемой от первичного источника питания мощности.

Таким образом, применение предлагаемого способа позволяет получить минимально возможное время зарядки емкостного накопителя энергии на начальном этапе зарядки в режиме, отличном от режима постоянства потребляемой мощности при заданном постоянном уровне температуры структуры силовых полупроводниковых приборов. За счет этого возрастает коэффициент использования первичного источника питания, исключается возможность тепловой перегрузки силовых полупроводниковых приборов и, следовательно, повышается надежность работы зарядных устройств.

Источники информации

1. Полупроводниковые зарядные устройства емкостных накопителей энергии / О.Г.Булатов, B.C.Иванов, Д.И.Панфилов. - М.: Радио и связь, 1986. - 160 с.

2. Кириенко В.П., Копелович Е.А. Режимы работы высоковольтных зарядных устройств с дозирующими конденсаторами для электрофизических установок. - Электричество, 2006, №5, с.25-31.

3. Флоренцев С. Современное состояние и прогноз развития приборов силовой электроники. - Современные технологии автоматизации, 2004, №2, с.20-30.

Способ зарядки емкостного накопителя энергии, включающий изменение рабочей частоты зарядного устройства с дозирующими конденсаторами, отличающийся тем, что рабочую частоту изменяют в функции температуры структуры силовых полупроводниковых приборов при достижении температурой заданного уровня, ограничивая ее на этом уровне за счет указанного изменения частоты, и поддерживают частоту неизменной при температуре ниже заданного уровня.