Расчет зарядного устройства

 

Правильный заряд аккумуляторной батареи [5] является одним из наиболее важных условий, позволяющих обеспечить длительный срок их службы. Важно правильно спроектировать зарядное устройство, чтобы обеспечить оптимальный режим заряда батареи для восстановления номинальной емкости, определяющей количество электричества, которое может отдать полностью заряженный аккумулятор. Заряд аккумуляторной батареи, как правило, осуществляется в две ступени. На первой ступени рекомендуется заряжать аккумулятор неизменным по значению током I_зар ≤ 0,25С. При этом аккумулятор получает основную часть энергии, в пределах 95 %. Зарядка аккумулятора на второй ступени происходит при стабильном напряжении. Этот режим обычно называют режимом подзаряда и используют для компенсации уменьшения емкости аккумулятора, вызванного токами саморазряда.

На рис. 2.18 приведена функциональная схема зарядного устройства, силовая цепь которого выполнена на базе непосредственного преобразователя постоянного напряжения НПН понижающего типа [6,12,15,23]. Регулирование выходного напряжения в нем осуществляется за счет изменения относительной длительности открытого состояния силового транзистора при использовании широтно-импульсного регулирования.

 

 

Рисунок 2.18 — Зарядное устройство

 

Исходными данными для расчета зарядного устройства являются входное напряжение, выходные напряжение, ток и характеристики АБ. Используем в качестве питающего выпрямленное напряжение основного канала. Заряд аккумуляторной батареи может осуществляться только при условии, что напряжение питающей сети находится в допустимом диапазоне U_c = U_ном %. В этом случае минимальное выпрямленное напряжение U_dmin = 170 В, а максимальное — U_dmax = 1,1U_dmin / 0,85 = 311 В. Выходные параметры зарядного устройства определяются параметрами АБ. Выходное напряжение зарядного устройства для заряда АБ типа FG20651 [Приложение Ю] c номинальным напряжением U _АБ = 12х7 = 84 В и емкостью С_Н = 6,5 АЧ, работающей в цикличном режиме, определяется по выражению [12]:

,

где (2,4  2,45) В — максимальное напряжение на элементе АБ;

m = 6 — количество элементов в секции;

n = 9 — количество секций в батарее.

Примем U_{ЗУвых max} = 2,4  6  7 ≈ 100 В.

Для выбора величины тока заряда АБ необходимо знать не только емкость АБ, но и интервалы времени между аварийными режимами (время, предоставленное для восстановления необходимой емкости АБ).

Статистические данные выхода напряжения сети переменного тока за допустимые пределы — (1÷2) раза в сутки. В этом случае для восстановления емкости АБ зарядный ток можно выбрать равным 0,2С_Н = 1,3А. Это не приведет к большой перегрузке входного выпрямителя СГЭП и не потребует перерасчета его параметров.

На рис. 2.19 приведены диаграммы токов и напряжений, поясняющие работу зарядного устройства.

На интервале времени t₁ транзистор VT открыт, и под воздействием разности входного напряжения и напряжения АБ ток дросселя нарастает по линейному закону:

где I_Lmin — ток, протекающий через дроссель в момент включения транзистора.

 

 

Рисунок 2.19 — Временные диаграммы НПН

понижающего типа

 

В момент времени t₁ (рис. 2.19) транзистор выключается, включается диод, через который протекает спадающий ток дросселя I_L, а на дросселе наводится напряжение обратной полярности, равное U_АБ, и ток в нем спадает по линейному закону:

где I _Lmax — ток в момент выключения транзистора.

В момент времени t₂ транзистор снова включается, и процессы повторяются. Для расчета параметров и выбора элементов силовой цепи зарядного устройства необходимо определить диапазон изменения относительной длительности открытого состояния транзистора.

где U _{вых max} = 100 В — выходное напряжение ЗУ, определяемое зарядной характеристикой кислотных АБ [Приложение Ю].

Для выбора величины индуктивности дросселя, кроме величины γ_min, необходимо определиться с амплитудой пульсаций зарядного тока. Так как АБ не предъявляет особых требований к форме зарядного тока, то выберем величину пульсаций произвольно — допустим 10 %.

Определим величину индуктивности по выражению [12]:

Соединим последовательно четыре дросселя Д13-19 с параметрами [Приложение Ж]: L = 6 мГн; I_подм = 1 А; R = 0,225 Ом; ∆U_пер = 135 В при последовательном соединении двух обмоток дросселя.

Максимальное напряжение, прикладываемое к транзистору, определяется наибольшим выпрямленным напряжением U _{VT max} = = U_{d m ax} = 341 В. Ток, протекающий через транзистор, равен току заряда АБ I = 1,3А. Выбираем транзистор 2П938А с параметрами [Приложение Р]: U_СИ = 500B; I _C = 15 А; R _CИ = 0,07 Ом; ß = 20; t _вкл = t_выкл = 1,1 мкс (этот транзистор выбран с целью уменьшения номенклатуры используемых комплектующих).

Статические потери в транзисторе:

Р_ст = (I_c γ_max)² R_CИ = (1,3 0,59) ² 0,07 = 0,04 Вт.

Используя линейную апроксимацию временной зависимости тока и напряжения в режиме переключения транзистора, определим динамические потери в нем по выражению [12]:

Суммарные потери мощности на транзисторе

Р_Σ = Р_СТ + Р_ДИН = 1,57 Вт не требуют установки транзистора на радиатор.

 Среднее значение тока, протекающего по диоду, равно:

I_{VD ср} = I_З(1 – γ_min) = 1,3 (1 – 0,24) = 1 А.

Выбираем диод 2Д245А с параметрами [Приложение C]:

U_{VD обр max} = 400 В; I_VD = 10 А; T_выкл = 0,07 мкс.

Для ограничения сквозного тока, протекающего через диод при включении транзистора за время восстановления запирающих свойств диода, устанавливают балластный (ограничительный) дроссель L₂, индуктивность которого определяют по выражению:

Выбираем дроссель Д18-4В с параметрами [Приложение Ж]:

L = 0,0315 мГн; Iп = 0,5 А; Rобм = 0,085 Ом; f = 100 кГц.

Сопряжение цепи управления силовым ключом зарядного устройства с выходом схемы управления, приведенной на рис. 2.20, требует обеспечения гальванической развязки и согласования управляющего сигнала по мощности.

Схема управления формирует импульсы необходимой длительности, обеспечивая работу силовой цепи в режимах стабилизации либо напряжения, либо тока по сигналам обратной связи, в зависимости от напряжения на АБ. Отрицательные обратные связи по току или по напряжению не должны работать одновременно, так как будут мешать одна другой. При напряжении АБ ниже номинального (АБ разряжена) зарядное устройство должно работать в режиме стабилизации выходного тока. При этом диод VD4 закрыт более положительным напряжением по отношению к выходному напряжению DA2 и обратная связь по напряжению отключена. Компаратор DA4 сравнивает напряжение сигнала ошибки по току, поступающее с выхода усилителя DA2 через усилитель рассогласования ошибки DA3 на его инвертирующий вход с развертывающим пилообразным напряжением, формируемым схемой управления силовым инвертором. Широтно-импульсный сигнал с выхода компаратора подается через логические элементы DD1 при разрешающем сигнале U_пуск на вход усилителя мощности, выполненного на транзисторе VT2. По мере заряда АБ напряжение на батарее возрастает до максимального и включается в работу обратная связь по напряжению (открывается диод VD3, запирается VD4), зарядное устройство при этом стабилизирует выходное напряжение. Задающее напряжение ОС по напряжению, поступающее с резистора R15, ограничивает длительность ширины импульса на входе усилителя мощности на уровне γ_max = 0,6, удовлетворяющей требуемому диапазону изменения относительной длительности открытого состояния силового транзистора (0,24<γ<0,59) и обеспечивая работу трансформатора УМ без замагничивания сердечника (ток намагничивания спадает до нуля) при условии, что выполняется соотношение [4,15,17,21]:

,

из которого определится, что соотношение витков первичной обмотки и обмотки размагничивания должно удовлетворять условию

где W₁ — число витков первичной обмотки трансформатора усилителя мощности;

W₂ — число витков обмотки размагничивания.

 

 

 Рисунок 2.20 — Схема зарядного устройства

 

По напряжению транзистор VT2 выбирается из условия:

где U_П = 15 В — напряжение питания усилителя мощности, поступающее с выхода блока питания собственных нужд;

К_З = 0,7 — коэффициент загрузки транзистора по напряжению.

Максимальный коллекторный ток транзистора находится по выражению:

где U_Wу = 5 В — напряжение на обмотке Wу.

По рассчитанным параметрам выбираем транзистор 2Т630В с характеристиками [Приложение П]:

U _КЭдоп = 150 В; I _К = 1А; ß _min = 40, = 1 В.

 Базовый ток транзистора VT2:

где К_нас — степень насыщения транзистора, работающего в ключевом режиме, принимаем равной 1,1.

Сопротивление резистора

где U_п — напряжение питания.

Выбираем резистор С2-13-0,25 [Приложение Г].

Ток, потребляемый от источника питания по цепи + 5 В, определяется током микросхемы DD1 и не превышает единиц миллиампер,

по цепи +15В — не более 25 мА;

по цепи –15В — не более 15 мА.

Система стабилизации выходных параметров характеризуется неизменностью задающего воздействия. Задача такой системы — поддержание с допустимой ошибкой выходной величины при наличии возмущающих воздействий. В зарядном устройстве таковыми являются входное (питающее) напряжение и выходной ток. Для обеспечения статической точности поддержания зарядного тока или выходного напряжения ЗУ в режимах стабилизации соответствующих величин необходимо синтезировать структурную схему ЗУ как системы автоматического управления (САУ). Структурная схема САУ является графическим отображением математической модели, описывающей режимы ее работы. Динамические режимы исследуются по передаточным функциям структуры, статические — по частным случаям этих передаточных функций, когда оператор Р равен нулю.

Структурная схема ЗУ, как системы автоматического управления [26], в замкнутом состоянии с обратными связями по току и напряжению приведена на рис. 2.21.

 

Рисунок 2.21 — Структурная схема ЗУ

 

Статический режим работы зарядного устройства при замыкании обратной связи (ОС) по току (рис. 2.22), описывается выражением:

 

 

Рисунок 2.22 — Структурная схема ЗУ с обратной связью по току

 

где  — напряжение задатчика по току, принятое из соображений, что при U_р = 5 В (амплитуда развертывающего напряжения) необходимо обеспечить g £ 0,6;

К2; К3 — коэффициенты усиления усилителей DA2, DA3;

Ud — напряжение питания зарядного устройства, изменяется в пределах от 170 В до 341 В;

U_АБ — напряжение аккумуляторной батареи (U_АБmin = 73,5 В,  U_Абmax = 84 В) [Приложение Ю];

r_АБ » 2 Ом — внутреннее сопротивление АБ (для кислотных аккумуляторов  для щелочных — );

 — коэффициент передачи звена обратной связи по току.

Высокой точности поддержания зарядного тока не требуется, поэтому зададимся D I_З = 0,1I_З = 0,04 А. Нестабильность зарядного тока определится выражением:

Амплитуды пульсаций зарядного тока при разряженной и заряженной АБ будут различными, и наибольшая амплитуда будет наблюдаться при U_Абmin, поэтому расчет будем вести на минимальное напряжение АБ.

При заданном уровне пульсаций зарядного тока задача сводится к нахождению К2К3 (коэффициентов усиления сигнала ошибки), необходимых для обеспечения заданной точности. Разрешив выше приведенное выражение относительно К1К3, найдем их произведение К1К3 = 3.

Поддержание выходного напряжения ЗУ, работающего в режиме подзаряда АБ, с заданной точностью обеспечивается обратной связью по напряжению.

Структурная схема замкнутой САУ по напряжению представлена на рис. 2.23.

Уравнение, описывающее статический режим работы замкнутой системы, имеет вид:

где   К3 — коэффициент передачи усилителя DA3;

К_осн » 0,02 — коэффициент передачи звена обратной связи по напряжению.

 

 

Рисунок 2.23 — Структурная схема ЗУ с обратной связью по напряжению

 

Возмущающими воздействиями, приводящими к отклонению выходного напряжения, являются изменение входного напряжения ЗУ в пределах от минимального до максимального и изменение зарядного тока, компенсирующего ток саморазряда АБ. Ток саморазряда АБ незначителен, и им можно пренебречь, не внеся при этом существенных погрешностей в расчеты.

Нестабильность выходного напряжения, вызванная изменением входного напряжения, имеет вид:

Задавшись нестабильностью выходного напряжения в (3 5) %, получим D U_вых » 4 В, и, разрешив выражение относительно К1К3, найдем К1К3 » 10.

Задавшись К3 = 2, получим К1 = 5, а К2 = 1,5.

⇐ Предыдущая78910111213141516Следующая ⇒

Поделиться: