управляемый выпрямитель зарядного устройства

Формула изобретения

Управляемый выпрямитель зарядного устройства, выполненный по схеме со средней точкой, состоящий из силового трансформатора, дросселя, первого и второго тиристоров, при этом катоды тиристоров объединены, отличающийся тем, что дроссель выполнен с двумя обмотками, включенными последовательно с первым и вторым тиристорами соответственно, при этом обмотки дросселя включены согласно и присоединены свободными концами к концам вторичной обмотки силового трансформатора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники и может быть применено в составе зарядного устройства аккумулятора.

Зарядное устройство должно обеспечивать ток, равный номинальному току заряда аккумулятора при колебаниях напряжения первичной сети и изменении напряжения на аккумуляторе по мере его заряда. По завершении заряда ток должен быть уменьшен до нулевого значения. В автоматических зарядных устройствах критерием окончания заряда является определенный уровень напряжения, скорости изменения напряжения на аккумуляторе, истечение заданного времени заряда. Регулирование тока обычно осуществляется управляемым выпрямителем.

Известен управляемый выпрямитель по мостовой схеме, содержащий два тиристора, два диода и дроссель [1]. Он имеет низкую надежность при работе в составе зарядного устройства и высокий уровень электромагнитных помех, что обусловлено большой амплитудой и высокой крутизной фронтов импульсов тока тиристоров.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является двухполупериодный управляемый выпрямитель по схеме со средней точкой, который содержит силовой трансформатор, имеющий средний вывод от вторичной обмотки, два тиристора и дроссель. Тиристоры, подключены анодами к крайним выводам вторичной обмотки силового трансформатора, а катоды тиристоров объединены с началом обмотки дросселя. Конец обмотки дросселя и средний вывод вторичной обмотки силового трансформатора подключаются к внешней нагрузке (в зарядном устройстве - к аккумулятору) [2].

Это устройство также имеет низкую надежность и высокий уровень электромагнитных помех при работе в составе зарядного устройства. Низкая надежность обусловлена значительными импульсными перегрузками тиристоров при переходных процессах в сети и зарядном устройстве и при аварийных режимах (короткое замыкание нагрузки, сбои схемы управления). Особенностью зарядных устройств является работа на очень малое сопротивление нагрузки (сопротивление аккумулятора) при значительных колебаниях напряжения первичной сети. Изменяя момент открывания тиристоров можно регулировать только среднее значение выходного тока выпрямителя. В этих условиях сопротивление нагрузки не может ограничить амплитуду импульсов тока на безопасном для тиристоров уровне. Схемы защиты по току неэффективны, так как тиристор остается открытым до конца полупериода сетевого напряжения.

Выбор тиристоров со значительным запасом по току приводит к существенному увеличению массогабаритных показателей и стоимости устройства.

Высокий уровень электромагнитных помех обусловлен высокой скоростью нарастания тока тиристора при его открывании. Дроссель ограничивает скорость нарастания тока аккумулятора, но скорость нарастания токов в цепях тиристоров ограничена лишь индуктивностями рассеивания силового трансформатора и, практически, неуправляема. При этом обычные меры снижения уровня помех с помощью входных фильтров и экранирования при больших зарядных токах оказываются малоэффективными.

Технической задачей изобретения является повышение надежности и снижение уровня электромагнитных помех, создаваемых устройством.

Решение указанной задачи достигается тем, что в управляемом выпрямителе зарядного устройства, выполненном по схеме со средней точкой, состоящем из силового трансформатора, дросселя, первого и второго тиристоров, при этом катоды тиристоров объединены, дроссель выполнен с двумя обмотками, подключенными соответственно между крайним выводом вторичной обмотки силового трансформатора и анодом первого тиристора и другим крайним выводом вторичной обмотки силового трансформатора и анодом второго тиристора, при этом обмотки дросселя включены согласно.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1. приведена схема управляемого выпрямителя зарядного устройства, на фиг.2. представлена структурная схема устройства заряда аккумуляторов передвижной электростанции, на фиг.3 - осциллограммы в характерных точках схемы.

Схема управляемого выпрямителя зарядного устройства (фиг.1.) содержит силовой трансформатор 1 с вторичной обмоткой, имеющей отвод от середины, дроссель 2 с первой обмоткой 3 и второй обмоткой 4, первый тиристор 5 и второй тиристор 6. При этом катоды тиристоров объединены, обмотки 3 и 4 дросселя 2 включены последовательно, соответственно, с первым и вторым тиристорами, а между собой - согласно. Свободные концы обмоток 3 и 4 дросселя 2 подключены к крайним выводам вторичной обмотки силового трансформатора 1 (безразлично к какому конкретно, но к разным).

В качестве примера применения рассмотрим устройство заряда аккумуляторов передвижной электростанции по структурной схеме (фиг.2.) которая содержит: силовой трансформатор 1, обеспечивающий напряжения питания для силовой части устройства и блока управления, дроссель 2 с двумя обмотками, тиристорный выпрямитель 3, датчик тока 4, формирующий напряжение, пропорциональное зарядному току, формирователь пилообразного напряжения 5, компаратор 6 для сравнения пилообразного напряжения с напряжением обратной связи, который вместе с формирователем пилообразного напряжения 5 образует широтно-импульсный модулятор, датчик напряжения 7 для формирования напряжения, пропорционального напряжению на выходе зарядного устройства, усилитель обратной связи по току 8, усилитель обратной связи по напряжению 9, формирователь импульсов 10 фиксированной длительности и требуемой мощности для управления тиристорами, задатчик величины зарядного тока 11, задатчик напряжения окончания заряда аккумулятора 12, сигнализатор аварийного режима 13, задатчик напряжения недопустимого разряда аккумулятора 14, устройство защиты от переполюсовки аккумулятора 15, устройство блокировки при коротком замыкании и глубоком разряде аккумулятора 16. Обозначения а, 16, 26, в, г, д - соответствуют точкам, в которых имеют место одноименные временные диаграммы сигналов, показанные на фиг.3. На фиг.3. показана временная диаграмма напряжения сети (а), временная диаграмма напряжения обратной связи на первом входе компаратора 1(б), временная диаграмма пилообразного напряжения на втором входе компаратора 2(б), временная диаграмма напряжения на выходе компаратора (в), временная диаграмма напряжения на выходе формирователя импульсов(г), временная диаграмма напряжения на выходе датчика тока (д).

Управляемый выпрямитель зарядного устройства работает следующим образом.

При наличии сетевого переменного напряжения ток во вторичной цепи силового трансформатора 1 (фиг.1.) во время одного полупериода протекает через первую обмотку 3 дросселя 2, первый тиристор 5, нагрузку (на фиг.1. не показана) и средний вывод вторичной обмотки силового трансформатора 1. Во время другого полупериода ток протекает через вторую обмотку 4 дросселя 2, второй тиристор 6, нагрузку и средний вывод вторичной обмотки силового трансформатора 1. Обмотки сфазированы таким образом, что дроссель 2 перемагничивается по симметричному циклу. Поэтому дроссель 2 работает на переменном токе, амплитуда которого равна амплитуде тока нагрузки. Величина тока нагрузки определяется сопротивлением цепи, состоящей из сопротивления силового трансформатора 1, сопротивления открытого первого тиристора 5 или второго тиристора 6, сопротивления нагрузки и индуктивного сопротивления обмотки 3 или 4 дросселя 2. Индуктивное сопротивление дросселя 2 выбирается таким, чтобы максимальный ток нагрузки при всех условиях эксплуатации не превышал прямой предельно допустимый ток первого и второго тиристоров, но при этом среднее значение тока нагрузки не уменьшалось ниже заданного минимального значения.

Для обеспечения этого условия необходимо увеличивать напряжение вторичной обмотки силового трансформатора 1. Это приводит к небольшому возрастанию потерь в дросселе 2. При этом массогабаритные показатели дросселя 2 улучшаются по сравнению с прототипом, так как отсутствует подмагничивание дросселя.

Коэффициент пульсаций тока в цепи нагрузки возрастает по сравнению с прототипом, но для зарядного устройства (аккумулятора) этот фактор не является ограничивающим.

Импульсные помехи в данной схеме имеют очень низкий уровень, так как скорость нарастания тока в цепях первого и второго тиристоров ограничивается индуктивностью дросселя:

где Umмакс - максимальная амплитуда напряжения вторичной полуобмотки силового трансформатора, Ua - напряжение аккумулятора, L - индуктивность одной обмотки дросселя.

При этом требования электромагнитной совместимости легко выполняются даже без применения специальных мер ее обеспечения. Форма импульсов зарядного тока (Iзар), совпадающая с формой импульсов тока в силовых цепях первого и второго тиристоров, показана на фиг.3, д.

Для иллюстрации применения управляемого выпрямителя зарядного устройства рассмотрим работу устройства заряда аккумуляторов передвижной электростанции (фиг.2.)

При наличии сетевого напряжения ток вторичной обмотки силового трансформатора 1 протекает через дроссель 2, тиристорный выпрямитель 3 и датчик 4 тока в аккумулятор (на фиг.2 не показан), создавая на зажимах последнего напряжение Uвых. Усилитель обратной связи по напряжению 9, формирователь пилообразного напряжения 5 и компаратор 6 образуют цепь широтно-импульсной модуляции. Время открытого состояния тиристоров будет тем больше, чем больше разность напряжений, поступающих с задатчика напряжения окончания заряда аккумулятора 12 и датчика напряжения 7. При этом среднее значение зарядного тока за период сетевого напряжения возрастает. На фиг.3. временная диаграмма 2 (б) - пилообразное напряжение, а 1 (б) - напряжение обратной связи. Широтно-модулированный выходной сигнал компаратора 6 (фиг.2.) отображен на диаграмме (в - фиг.3). По фронту этого сигнала формируются импульсы напряжения на выходе формирователя импульсов (д - фиг.3.), определяющие момент открывания тиристоров.

Предельное значение тока заряда ограничивается усилителем обратной связи по току 8. Усилитель обратной связи по току 8 формирует выходное напряжение, пропорциональное разности выходных напряжений задатчика величины зарядного тока 11 и датчик тока 4. При приближении зарядного тока к заданному значению выходное напряжение усилителя обратной связи по току 8 уменьшается и уменьшает выходное напряжение усилителя обратной связи по напряжению 9. Это приводит к сокращению времени включенного состояния тиристорного выпрямителя 3.

Устройство защиты от переполюсовки аккумулятора 15 блокирует формирователь импульсов 10 управления тиристорами при неправильной полярности подключения аккумулятора. Это, приводит к исчезновению управляющих импульсов на выходе формирователя импульсов 10 (г - фиг.3).

Устройство блокировки при коротком замыкании и глубоком разряде аккумулятора 16 блокирует компаратор 6. При этом на его выходе (в - фиг.3) отсутствуют прямоугольные импульсы, а тиристорный выпрямитель 3 запирается.

Устройства защиты от переполюсовки аккумулятора 15 и устройство блокировки при коротком замыкании и глубоком разряде аккумулятора 16 по существу являются схемами сравнения.

Сигнализатор аварийного режима 13 сравнивает напряжение на аккумуляторе с напряжением задатчика напряжения недопустимого разряда аккумулятора 14 и оповещает оператора о недопустимом разряде световым сигналом. Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает повышение надежности и снижение уровня электромагнитных помех при улучшении массогабаритных показателей.

Источники информации

1. Ромаш Э.М. Источники вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры. - М.: Радио и связь, 1981. 224 с.(С.86. Рис. 5-1б).

2. Ромаш Э.М. Источники вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры. - М.: Радио и связь, 1981. 224 с.(С.86. Рис.5-1а).