Содержание к диссертации
Введение 5
Глава 1 Обзор способов заряда и разработка структуры ЗУ для АБ и КБ 16
Особенности заряда АБ ... 16
Особенности заряда батарей ИКЭ ..20
Структуры систем заряда батарей 23
Универсальная система питания ГИН 30
Выбор схемы преобразователя для построения ЗУ ..33
Однотактный комбинированный преобразователь 41
Выводы к первой главе: 46
Глава 2 Исследование комбинированного преобразователя 47
2.1 Математическая модель комбинированного преобразователя 47
Алгоритм работы комбинированного преобразователя 47
Построение математической модели силовой части комбинированного преобразователя с двумя трансформаторами 50
Построение схемы замещения совмещенного трансформатора.. 55
Методика моделирования преобразователя с совмещенным трансформатором 63
Моделирование и анализ электромагнитных процессов в комбинированном преобразователе 71
Вывод основных расчетных соотношений для методики
проектирования однотактного комбинированного преобразователя 91
Выводы ко второй главе 101
Глава 3 Разработка инженерной методики расчета комбинированного
преобразователя , 102
Формирование исходных данных для расчета комбинированного преобразователя 102
Базовая схема однотактного комбинированного преобразователя... 104
Инженерная методика расчета силовой части комбинированного преобразователя ПО
Инженерная методика проектирования совмещенного трансформатора
Выводы к третьей главе... 122
Глава 4 Практическая реализация ЗУ 124
Зарядное устройство для автомобильных аккумуляторных батарей 124
Система заряда батареи ГИН на основе ИКЭ 133
Формирование потребляемого тока 137
4.3.1 Формирование потребляемого тока за счет свойств
комбинированного преобразователя 137
4.3.2 Формирование потребляемого тока с помощью ККМ 141
Выводы к четвертой главе 145
Заключение 147
Список литературы 149
Приложение А Собственные и взаимные индуктивности слоев катушек для
различных магнитопроводов 162
Приложение Б Индуктивности рассеяния для двух обмоток, расположенных на разных стержнях магнитопровода, в зависимости от диаметра и толщины
намотки для различных сердечников 169
Приложение В 173
Введение к работе
В настоящее время существует большое количество различных применений накопителей электрической энергии, таких как аккумуляторы и конденсаторы. Аккумуляторы используются как автономные источники электрической энергии в системах гарантированного электропитания, при электростартерном пуске автотранспорта на двигателях внутреннего сгорания, в автономных приборах, а также во многих других областях, где нет возможности использовать электрическую энергию промышленной или автономной электросети. Конденсаторы электрически сходны с аккумуляторами, но имеют другой принцип накопления заряда и технически обладают меньшей энергоемкостью, однако их несомненное преимущество -существенно меньшее внутренне сопротивление. Это обуславливает их применение в качестве промежуточных накопителей электрической энергии для потребителей импульсной мощности, таких как импульсные источники света, оптических квантовые генераторы, схемы формирования импульсных магнитных полей, генераторы импульсных напряжений и токов для различных технологических процессов и пр.
Заряд аккумуляторов можно проводить от любого источника постоянного тока, при условии, что его напряжение больше, чем конечное напряжение заряжаемого аккумулятора. В большинстве случаев зарядные устройства снабжены системами, позволяющими регулировать и поддерживать постоянным один из электрических параметров - напряжение или ток заряда. В зависимости от того, какой электрический параметр регулируется, различают способы заряда: при постоянном напряжении, постоянном токе и комбинированные.
При использовании метода заряда при постоянном напряжении в первый момент времени зарядный ток достигает больших значений. В процессе заряда, когда ЭДС аккумулятора постепенно возрастает, величина тока понижается и концу заряда становится заметно меньше. Как правило, подобный метод заряда
применяется в бортовых системах электропитания, где зарядная генераторная установка ограничивает ток за счет своих внутренних свойств [99]. Преимуществом заряда при постоянном токе является минимальная габаритная мощность зарядного оборудования. Величина зарядного тока для аккумуляторов разных типов и разной емкости различна. Обычно его величина выбирается такой, чтобы продолжительность заряда не была слишком большой, и не происходил перегрев аккумулятора. Поэтому кроме простых методов заряда используются комбинированные методы [99], на разных этапах которых на аккумуляторе поддерживаются либо определенный постоянный ток, либо определенное постоянное напряжение.
Общей чертой всех методов заряда является построение зарядной части, обладающей, в той или иной степени, характеристикой источника тока. Так как заряд происходит током, а подавляющее большинство источников электроэнергии является источниками напряжения, то устройство заряда выполняет функции преобразователя напряжения в ток.
В отличие от аккумулятора у конденсатора внутренние потери меньше и коэффициент использования зарядного тока значительно выше. Это значит, что их можно заряжать током практически любой величины. Методов заряда конденсаторов достаточно много [14, 18, 30, 31, 39 - 41]. Как правило, это заряд от источника постоянного тока, заряд от источника постоянного напряжения через последовательное сопротивление, заряд от источника постоянной мощности, заряд с импульсным дозированием энергии и другие. В отличие от аккумуляторов напряжение на конденсаторе линейно зависит от сообщенного ему заряда, и существенно изменятся в процессе заряда за короткое время. Поэтому наиболее близким к оптимальному режиму заряда конденсаторов являются заряд при постоянной мощности либо заряд при постоянном токе. В первом режиме наиболее эффективно используется первичный источник энергии, а во втором режиме зарядный тракт может иметь меньшую габаритную мощность, так как амплитуда тока через ключевые элементы не изменяется. Однако в любом из этих режимов устройство заряда должно
контролировать и поддерживать в каждый момент времени на определежном значении зарядный ток, напряжение же будет определяться величиной полученного конденсатором заряда.
Величины емкостей конденсаторов различны, и зависят от используемых технологий изготовления. Наибольшей удельной емкостью обладают конденсаторы с двойным электрическим слоем, так называемые «ионисторы» [62, 98, 105, 106 и др.]. Данный тип конденсаторов применяется для построения генераторов импульсных напряжений (ГИН) и, в некоторых случаях, в качестве буферных накопителей энергии. Благодаря высокой энергоемкости и возможности работы в импульсном режиме за этим типом конденсаторов закрепилось название импульсный конденсатор энергоемкий (ИКЭ). Их удельная энергоемкость за счет большой емкости приближается к энергоемкости аккумуляторов [134], что позволяет применять один подход к заряду аккумуляторов и ИКЭ.
Типичное напряжение одного аккумуляторного элемента составляет от 1.2 до 3 вольт. Этого напряжения в большинстве случаев недостаточно, и тогда элементы собирают последовательно в батарею. (АБ). Если батарея выполнена в виде моноблока с недоступными выводами входящих в ее состав элементов, то с точки зрения конечного пользователя она рассматривается не как батарея, а как аккумулятор. Так как все элементы батареи не могут быть совершенно идентичными [29], то при многократных циклах заряд-разряд происходит неизбежный разбаланс напряжений из-за неидентичных параметров аккумуляторов, что приводит к выходу из строя отдельных элементов из-за переполюсовки или перезаряда. Как следствие выходит из строя вся батарея. Для устранения неравенства характеристик может применяться отбор элементов в батарею. Однако даже в этом случае практически невозможно скомплектовать батарею из элементов, обладающих одинаковой емкостью, коэффициентом использования зарядного тока, внутренним сопротивлением, током саморазряда и пр. Даже если удастся укомплектовать батарею идентичными элементами, их параметры будут значительно изменяться с
течением времени и с температурой. Так или иначе, в результате сокращается срок службы батареи.
Напряжение на аккумуляторе незначительно зависит от полученного аккумулятором заряда, поэтому достаточно сложно определить текущее состояние каждого элемента в батарее. Для поддержания аккумуляторной батареи в работоспособном состоянии длительное время необходимо периодическое симметрирование элементов в батарее. Для разных типов аккумуляторов применяют различные способы симметрирования.
Заряд аккумуляторов, входящих в состав батареи, может производиться при последовательном включении (при условии симметрирования напряжения), при параллельном включении (при условии симметрирования тока), а также в том включении, в котором они эксплуатируются от одного зарядвого устройства. Однако самым эффективным методом заряда АБ является индивидуальный заряд каждого элемента [89]. Это положительно отражается на сроке службы батарей. Особенно это ярко выражено при их большом количестве, что связано с увеличением статистического отклонения величины емкости и других параметров от среднего значения [89].
Построение батарей из ИКЭ (КБ) имеет много общего с построением батарей из аккумуляторов. Во-первых, допустимое напряжение конденсаторного элемента также не превышает нескольких вольт (обычно равно 2.3-г2.5 В) и промышленностью выпускаются батареи на определенные напряжения, оформленные в виде моноблока. Во-вторых, ИКЭ имеют электрохимический принцип накопления энергии и вследствие этого разброс их параметров велик. Также как у аккумуляторов их параметры могут существенно изменяться с температурой и с течением времени.
В промышленном производстве элементы в моноблоке имеют более или менее одинаковые параметры, что достигается либо за счет отбора элементов либо за счет производства всех элементов в одном технологическом цикле. Так как все выпускаемые элементы не могут быть произведены в одном технологическом цикле, то конденсаторы-моноблоки, сформированные из них,
имеют существенно больший разброс параметров, чем разброс параметров составляющих ее элементов. Разброс емкостей от номинального значения может достигать -20%/+40% и даже -40%/+80%. Соответственно если конденсаторы заряжаются последовательно, то конденсатор с меньшей емкостью зарядится до большего напряжения, чем все остальные. При превышении допустимого напряжения срок службы резко сокращается вплоть до немедленного выхода конденсатора из строя. Если напряжения стандартных моноблоков недостаточно, то они собираются последовательно, при этом обеспечение их работоспособности ложится на потребителя. А так как потребитель при использовании конденсаторов имеет дело со значительно меньшим их количеством, чем при производстве, то отбор конденсаторов с одинаковыми параметрами в батарею может быть существенно затруднен. Одним из способов обеспечения гарантированной работоспособности батареи из конденсаторов с неидентичными параметрами при последовательном включении является их эксплуатация при заниженном напряжении [62]. При эксплуатации ИКЭ в ГИН для более эффективного использования их заряжают при параллельном включении с последующим переключением в необходимую схему. При этом методе не происходит превышения напряжения на конденсаторах, так как напряжение контролируется на всех конденсаторах одновременно. Однако существенная трудность заключается в построении системы переключения батареи с параллельного включения на последовательное или смешанное при периодическом режиме работы.
Максимально эффективной эксплуатации можно достичь за счет поэлементного заряда батарей. Для аккумуляторных батарей данный вопрос в значительной степени проработан и существуют методы поэлементного выравнивания напряжений и емкостей аккумуляторов в батарее [4, 3], а также методы поэлементного заряда и доразряда [2]. Для конденсаторов метод поэлементного заряда используется в значительно меньшей степени. Однако из рассмотрения проблем заряда аккумуляторов и ИКЭ следует, что при заряде батарей на их основе наблюдаются одни и те же проблемы.
При построении ЗУ, питающихся от электросети переменного тока, возникают проблемы связанные с формированием потребляемого тока, так как заряжаемые конденсаторы и аккумуляторы представляют собой постоянную ЭДС, что приводит к потреблению из сети несинусоидального тока. Для технических средств нормируются абсолютные значения гармонических составляющих потребляемого из сети тока [20]. Практически реализуются схемы преобразователями с пассивными фильтрами для мощностей в десятки ватт [44], при более высоких мощностях без специальных средств, обеспечивающих синусоидальный входной (или близкий к нему) ток, обойтись уже нельзя. Фактически это означает, что зарядные устройства, потребляющие от сети большую мощность, должны оснащаться либо дополнительными схемами формирования входного тока, либо обеспечивать его формирование за счет собственных свойств. Кроме того, ко всем к ЗУ, как и к другим устройствам, устанавливаются ограничения на уровень эмитируемых помех [21,22,23].
Актуальность проблемы. В связи с широким распространением автотранспортных средств, где одновременно эксплуатируются два или более аккумулятора, увеличилась потребность в профилактическом заряде аккумуляторов с целью продления их срока службы. В настоящее время ими являются в основном грузовые автомобили с бортовой сетью 24 вольт. Однако в последние годы наметилась тенденция к увеличению мощности потребителей на борту автомобиля [92] с соответствующим увеличением напряжения в бортовой сети до 24-48 вольт за счет использования нескольких последовательно включенных аккумуляторов.
Аналогично для объединенных в батареи ИКЭ для питания ГИН или для замены аккумуляторов [62] необходимы эффективные системы заряда. Методы заряда, применяемые для традиционных КБ, в этом случае оказываются малоэффективными из-за большой емкости ИКЭ и их электрохимических особенностей. В виду сходства ИКЭ и аккумуляторов выгодно использовать для заряда ИКЭ структуры ЗУ, применяемые для аккумуляторов.
Для заряда нескольких аккумуляторов или конденсаторов возможно использовать:
многоканальные ЗУ, содержащие несколько независимых стабилизаторов зарядного тока;
многовыходовые ЗУ, имеющие один преобразователь с несколькими выходами с характеристикой источника тока;
общий стабилизатор, предназначенный для заряда последовательно или параллельно включенных аккумуляторов.
Из них наиболее универсальной структурой является структура многоканального ЗУ, так как позволяет реализовывать ЗУ практически любой мощности только за счет добавления автономных каналов. Так как диапазон емкостей аккумуляторов и конденсаторов ограничен, то, разработав преобразователь, покрывающий соответствующий диапазон мощностей можно получить универсальную систему заряда, пригодную для заряда любых батарей на основе этих аккумуляторов или конденсаторов.
В связи с тем, что многоканальные ЗУ имеют многократно продублированные схемы зарядных преобразователей, стоимость последних составляет основную долю в стоимости всего ЗУ. Поэтому зарядный преобразователь должен быть достаточно простым, чтобы иметь низкую стоимость. Известные схемы преобразователей напряжения [19, 34, 35, 43, 61, 75, 81, 82, 83, 87, 95, 96, 97 и др.], с одной или двумя обратными связями (ОС) с высоким, напряжением изоляции оказываются не достаточно простыми для данных применений. Наличие обратных связей существенно усложняет конструкцию, соответственно приводит к снижению надежности и удорожанию всей системы в целом. Поэтому разработка ЗУ, отличающихся простотой и малой стоимостью, является актуальной задачей.
Цель работы: сформулировать общие требования к структурам и элементам систем заряда батарей на основе аккумуляторов и ИКЭ. Разработать и исследовать универсальное ЗУ для применения в многоканальных системах заряда аккумуляторных и конденсаторных батарей.
Основные задачи, которые необходимо решить для выполнения поставленной цели:
- провести анализ основных структур систем заряда для батарей
аккумуляторов и ИКЭ;
- сформулировать основные требования к зарядному преобразователю
для систем заряда и ЗУ;
- провести анализ существующих схем преобразователей
отличающихся простотой силовой части и алгоритма управления;
- разработать зарядный преобразователь, удовлетворяющий
поставленным требованиям;
- исследовать электромагнитные процессы в преобразователях этого
класса;
разработать инженерную методику проектирования преобразователя;
разрешить вопросы формирования потребляемого из сети тока. Методы исследований. Основными методами исследования были
приняты элементы теории электрических и магнитных цепей, элементы математического анализа. Численные эксперименты, и моделирование базировались на использовании современных инструментальных систем. При расчетах и моделировании широко применялись программные пакеты OrCAD, MathCAD и пакет конечно-элементного анализа ANSYS. Достоверность результатов расчетов и моделирования подтверждалась экспериментами.
Научная новизна.
Предложена структура системы многоканального заряда батарей на основе аккумуляторов или ИКЭ.
Предложен универсальный однотактный комбинированный преобразователь, являющийся стабилизатором тока выходного тока, отличающийся отсутствием обратной связи по выходному току и защищенный патентом РФ.
Исследован однотактный комбинированный преобразователь и предложена методика его проектирования.
Предложена методика анализа многообмоточного трансформатора с обмотками расположенными на разных стержнях магнитопровода и учитывающая намагничивание стержней магнитопровода. Исследованы электромагнитные процессы в трансформаторе в различных режимах работы однотактного комбинированного преобразователя.
Предложена инженерная методика проектирования трансформатора с обмотками, расположенными на разных стержнях магнитопровода, на заданные параметры.
Практическая ценность.
Получены зависимости индуктивностей рассеяния обмоток расположенных на разных стержнях магнитопровода для стандартного ряда сердечников типа ПК и различной геометрии этих обмоток для проектирования комбинированного преобразователя
Предложена инженерная методика расчета однотактного комбинированного преобразователя.
Предложена методика проектирования трансформатора с заданной индуктивностью рассеяния между обмотками.
Представлены практические рекомендации по разработке и проектированию устройств заряда малой мощности для АБ и конденсаторов сверхбольшой емкости.
Внедрения и промышленная реализация. Результаты, полученные в диссертационной работе, использованы при создании преобразователя для ЗУ «Исток-М», выпускаемого серийно, системы питания экспериментального генератора импульсных напряжений, зарядно-подзарядного устройства с корректором коэффициента мощности для электромобиля.
Достоверность полученных результатов подтверждается строгими математическими выводами, экспериментальными данными и результатами, полученными при внедрении разработанных приборов.
Структура работы. Диссертация состоит из четырех глав.
Первая глава посвящена анализу методов и систем заряда аккумуляторных и конденсаторных батарей сверхбольшой емкости, анализу преобразователей способных корректно работать на ЭДС с малым внутреннем сопротивлением. Предложена многоканальная структура системы заряда батарей ИКЭ. Разработана схема однотактного комбинированного преобразователя обладающего характеристиками источника тока по мгновенным значениям и отличающегося отсутствием обратной связи по выходному току.
Во второй главе исследован однотактный комбинированный преобразователь. Разработаны математическая модель преобразователя и схемы замещения многообмоточного трансформатора, учитывающие токи намагничивания в стержнях магнитопровода. Разработана методика анализа электромагнитных процессов в комбинированном преобразователе. Получены основные теоретические и численные соотношения для проектирования комбинированного преобразователя
В третьей главе предложена инженерная методика проектирования однотактного комбинированного преобразователя. Рассмотрены вопросы построения системы управления преобразователем и ЗУ.
Четвертая глава посвящена аспектам построения систем и устройств заряда батарей аккумуляторов и ИКЭ. Дано описание практических схем. Решены вопросы формирования синусоидального потребляемого тока в преобразователях данного класса.
Основные результаты доложены на региональной научно-технической конференции студентов и молодых специалистов «Радиотехнические и информационные системы и устройства» (Томск, 2000г.); региональной научно-технической конференции «Радиотехнические устройства, информационные технологии и системы управления» (Томск, 2001г.); межрегиональной научно-технической конференции «Научная сессия ТУ СУР» (Томск, 2002г.); всероссийской научно-практической конференции, посвященной 40-летию ТУСУР «Проблемы современной радиоэлектроники и
систем управления» (Томск, 2002г.); региональной научно-технической
конференции «Научная сессия ТУ СУР - 2003» (Томск, 2003г.); региональной
научно-методической конференции «Современное образование: интеграция
учебы, науки и производства» (Томск, 2003г.); Всероссийской научно-
'$ методической Совершенствование систем управления качеством подготовки
специалистов» (Красноярск, 2003г.); Всероссийской научно-технической конференции по проблемам создания перспективной авионики (Томск, 2003г.); всероссийской научно-технической конференции «Научная сессия ТУСУР -2004» (Томск, 2004г.).
Основные положения представляемые к защите:
Заряд батарей на основе последовательно включенных накопителей
(аккумуляторов или ИКЭ) следует проводить системами многоканального
заряда, из расчета один канал на один накопитель.
Однотактный комбинированный преобразователь и алгоритм управления этим преобразователем, обеспечивающий стабилизацию выходного тока без общей обратной связи, могут быть использованы для построения универсального ЗУ для многоканальных систем заряда батарей аккумуляторов и ИКЭ.
Для анализа электромагнитных процессов в преобразователе с
трансформатором специальной конструкции, совмещающем функции дросселя
Ф и трансформатора, необходимо учитывать неравномерное намагничивание
участков магнитопровода.
Для проектирования однотактного комбинированного преобразователя может быть использована предложенная инженерная методика проектирования, достоверность которой подтверждена на серийно выпускаемом ЗУ.
