Чем заряжать высоковольтные конденсаторы

Зарядка высоковольтного конденсатора

Итак, сегодня будем заряжать конденсатор от блока питания или аккумулятора 12V до напряжения 600V. Так как для зарядки эффективнее всего источник тока, топология преобразователя будет flyback. Именно flyback а не boost, потому что в противном случае потребуется высоковольтный транзистор, который, как известно имеет гораздо худшие параметры (Rds, Qq, Ciss) чем низковольтный.

Как известно, трансформатор обратноходового преобразователя по сути является дросселем с двумя обмотками, намагничивая сердечник которого с помощью первичной обмотки, во время отключения транзистора мы снимаем энергию со вторичной.

Трансформатор участвующий в эксперименте имеет сердечник EE25х10х6, материал PC40, содержит 6 витков в первичной обмотки проводом 0.4 в три жилы и 70 витков во вторичной обмотке проводом 0.18. Как по мне – достаточно компактно. При помощи зазоров между крайними кернами сердечника индуктивность первичной обмотки составила 7.2uH при частоте 1kHz. Для примера фотография платы электропастуха с таким трансформатором:

Для снятия показаний было сделано следующее:

Всем этим хозяйством заведует МК PIC16F18326, имеющий на борту всю необходимую для измерений периферию и передающий данные в компьютер по UART .

Интересующие нас параметры:

• Обратная связь, через делитель напряжения поступает на операционный усилитель включенный по схеме повторителя напряжения в качестве буфера;
• Компаратор, на который приходит сигнал с трансформатора тока расположенного на выходе из вторичной обмотки. Таким образом можно контролировать момент, когда энергия из сердечника будет полностью передана в нагрузку;

Небольшое отступление: энергию сердечник запасает за время в которое транзистор открыт, будем называть это время T-on (transistor on) и отдаёт когда транзистор закрыт, будем называть это время T-off (transistor off). Сердечник за время T-on может запасти некоторое количество энергии, и если его не закрыть через определенноё время, зависящее от индуктивности первичной обмотки и массогабаритных параметров сердечника, наступит насыщение. Первичная обмотка перестанет быть индуктивностью и превратится в обычный проводник с крайне-низким сопротивлением, что вызовет за собой моментальный рост тока через ключ и закончится волшебным дымом. Поэтому время T-on, зависящее в частности от напряжения питания строго фиксировано, и в нашем случае составляет 8us.

За время T-off, сердечник должен полностью отдать энергию в нагрузку, что на следующем периоде позволит транзистору снова включиться при нулевом токе и напряжении (мягкий режим), и это большой плюс. Кому интересно могут подробнее поискать про режимы работы flyback при DCM , CCM и про ZVS и ZCS .

При этом не следует забывать что полностью разряженный конденсатор имеет практически нулевое сопротивление, которое постепенно уменьшается по мере заряда. Именно эта особенность отличает его от обычной нагрузки потребляющей фиксированный ток и делает неэффективными преобразователи с фиксированной частотой. Посмотрим как же происходит заряд.

Представим, что энергия запасённая в сердечнике за время T-on находится у нас в кружке в форме обычной воды, которую мы выплёскиваем в конденсатор за время T-off. Выглядеть это будет так:

В самом начале заряда, буквально несколько кружек достаточно быстро повысят уровень заряда (напряжения), но чем дальше, тем больше и больше потребуется кружек для повышения уровня, и самое главное, при этом будет изменяться время T-off за которую энергия передаётся в нагрузку!

Работа тестовой схемы выглядит следующим образом:

Фотографии сделаны в разное время и на разных нагрузках, масштаб первой не очень удачен – но для понимания будет достаточно.

Микроконтроллер посылает импульс T-on продолжительностью 8us, после чего компаратором засекает временя за которое энергия из сердечника полностью переходит в нагрузку (конденсатор), затем следует замер напряжения на конденсаторе и пауза 200us. Далее цикл повторяется. Результаты измерений по UART поступают в компьютер, где на их основе были составлены графики заряда.

Здесь и далее, на диаграммах показывающих время за которое передается энергия, первые несколько тактов пропущены т.к. имеют значения типа

160, 140, 100, 80us и из-за этого область видимости будет менее информативной.

На первом графике видно как по мере роста заряда с каждым периодом уменьшается время, необходимое для передачи энергии. На втором наблюдается увеличение напряжения с каждым пройденном периодом. Под словом период в данном случае подразумевается время T-on+T-off=208us.

Почему неэффективен преобразователь с фиксированной частотой? Для примера представим что частота в нашем преобразователе 40kHz, в этом случае, в самом начале заряда примерно первые

120 тактов будет срабатывать токовая защита (если есть) и ключ будет работать в неоптимальном режиме. При 40kHz период равен 25us. Из них 8us ключ находится в открытом состоянии (T-on) а 17 в закрытом (T-off). После

120-го такта такой преобразователь попосту начнет тратить время, т.к. например уже на 600-м такте время за которое энергия полностью уйдет в нагрузку составит 8us, а оставшееся время 17-8=9us будет просто бесполезной паузой, которая будет расти по мере заряда конденсатора.

Зарядим конденсатор 50uF до 600 вольт (9 Джоулей):

Видно, что для достижения 200V потребовалось примерно 1900 тактов. А вот для достижения 400V – около 7100. Для того чтобы напряжение на конденсаторе выросло до 600 вольт потребовалось целых 16500 тактов, такова суровая реальность. Теперь посмотрим каким образом за эти 16500 тактов измеряется время отдачи энергии нагрузку:

Видно что после 3000-го такта этот параметр стабилизировался и составил примерно 4.125us. Округлим до 5. Получаем 8us (T-on) + 5us = 13us = 76,9kHz, оптимальная частота для 80% всего времени заряда конденсатора!

Моя задача состояла в зарядке конденсатора электропастуха, в котором максимальная частота следования импульсов была равна 800ms, а максимальная ёмкость применяемого конденсатора 100uF. Для решения был составлен график заряда конденсатора с максимальной ёмкостью, параметр T-off немного увеличен для безопасности а получившийся результат в виде небольшого массива внесен в МК.

Данное решение позволило без каких-либо проблем уложиться в отведенное время (с запасом в разы), даже пришлось делать алгоритм который наоборот, растягивал бы время заряда на максимально возможное (

700ms) для снижения нагрузки по току на источник питания.

Красная линия – 70 витков, синяя – 140. График напряжения не изменился, зато значительно возросло время передачи энергии в нагрузку. Теперь мы видели всё.

И да, кому интересно, примерная функция заряда: у=134.4088714*x^(-0.4021521). С циферками понятное дело можно поиграть. На этом пожалуй всё, спасибо за внимание!

Зарядка для высоковольтных конденсаторов.

В этой статье поговорим о простой схеме, которая представляет собой повышающий преобразователь на базе таймера NE555 и служит для зарядки конденсаторов большой ёмкости.

Принципиальная схема не содержит трансформатора, вместо него стоит накопительный дроссель. Сразу хочу сказать весь архив к данной статье имеется в конце статьи, если будет желание повторить схему, то там есть всё, можете скачать.

Сердцем схемы является генератор прямоугольных импульсов, построенный на самой популярной наверное микросхеме NE555. В данном случаи она работает на частоте 12 КГЦ.

Затвор полевика служит нагрузкой микросхемы и соответственно частота срабатываний полевого ключа напрямую зависит от частоты нашего генератора. Ток через транзистор будет протекать на дроссель в тот момент, когда этот транзистор будет открыт.

Далее накопленная энергия дросселя, в момент закрытия транзистора (где возникнет самоиндукция), потечёт дальше на диод. В данной схеме ток будет зависеть от диаметра используемого провода дросселя, а напряжение самоиндукции от индуктивности дросселя. Но и не забываем про силовой транзистор, так как он тут играет тоже не последнюю роль.

При сборе этой схемы, используйте высоковольтный, полевой транзистор. Я рекомендую приглядеться к серии IRF840 и подобрать с напряжение 600 вольт и более.

Всплески самоиндукции, выпрямительный диод будет преобразовывать в постоянный ток, некоторые пульсации конечно останутся, но это не критично.

Схема имеет широкое применение, для тех кто в теме; к примеру для ускорителя гаусса или для заряда конденсаторов фотовспышки. В этот раз, я заряжал свой конденсатор на 500 вольт. Штатные кондёры обычно рассчитаны на 400-450 вольт, поэтому обязательно контролируйте процесс заряда, чтобы те не взорвались). Я проверял, до 550 вольт они нормально переносят, но стоит это учитывать так как схема не имеет автоотключение.

Радиатор для полевого транзистора не нужен. От питания 12 вольт, холостой ток 20-30 мА.

Оптимальное напряжение для данной схемы будет в районе 6-14 вольт. Дроссель взят от балласта экономлампы. Наматывал проводом 0.3 мм, количество витков подбираем сами. Нам нужна индуктивность, а она будет зависеть от многих факторов, к примеру размера сердечника, самого материала и т.д. Есть программы которые рассчитывают индуктивность, вот ими и воспользуйтесь. Точность индуктивности дросселя не критична, отклонение 20 или даже 30 % в обе стороны, допустимы.

У меня мощность получилась около трёх ватт, с моим дросселем. Ёмкость 470 мкф схема заряжает за 2 минуты до 350 вольт, да это не быстро, но и схема поэтому и простая.

Не забываем про безопасность, заряженный конденсатор до таких значений очень опасен, никогда не забывайте об этом. Всего вам доброго.

Тема: Заряд высоковольтных конденсаторов

Сообщение от k1-801

• Поделиться этим сообщением через

Сообщение от k1-801

• Поделиться этим сообщением через

Сообщение от UR5CBZ

А можно про эту схему поподробнее? И какие конкретно номиналы на схеме? Входное напряжение около 9 вольт (+/- 1 вольт — буду питать от кроны, попытаюсь найти кроновый аккумулятор), выходное около 400 вольт (не больше, конденсаторы дорогие очень, 350 вольт будет вполне достаточно).

P.S. Я не говорил что однозначно против катушек, я против если в них очень много витков — мне ещё соленоиды мотать.

P.P.S. Да, и ещё не поможете подобрать какие-нибудь элементы коммутации вместо реле, и как в этой схеме сделать индикацию уровня заряда (на выходе индикации у планируемой конструкции стоят несколько параллельных светодиодов, триггер Шмитта, запускающий следующую схему заряда и ещё некоторые схемы управления, и диод к общему для всей цепочки мультивибратору, т.е. чем больше конденсаторов зарядилось и чем выше общий уровень заряда на них тем выше частота визжания)? Знаю, это будет довольно сложно, но.

• Поделиться этим сообщением через
• кружок автоматики.djvu (2.37 Мб, Просмотров: 1157)
• Поделиться этим сообщением через

Сообщение от k1-801

• Поделиться этим сообщением через

Кстати, нарыл вот еще одну схему. Только ее придется немного изменить — напряжение высокое очень дает.

Добавлено через 3 часа 56 минут
Странно. На всех фотографиях вспышек на плате имеется светодиод индикации, а в схемах для заряда индикация не предусмотрена.

• Поделиться этим сообщением через

Сообщение от k1-801

• Поделиться этим сообщением через

Сообщение от UR5CBZ

• Поделиться этим сообщением через

Сообщение от k1-801

• Поделиться этим сообщением через

Сообщение от UA3AEE

Странно, меня больше волновали не светодиоды индикации а ТШ, который от 9 вольт работает, а входной сигнал будет нереально высокого напряжения.

Я тут упоминал схему на диодах и конденсаторах. Хотел было вчера ещё её поискать, но. Не получилось. Она нашла меня первой http://ru.wikipedia.org/wiki/Генерат. Уолтона . Вчера просто выложить не успел — опаздывал сильно.

Надо поставить ключ (КТ815 или другой мощный ключевой транзистор), как нагрузку: мультивибратор (или другой генератор), ему как нагрузку второй ключ (И снова КТ815 или другой мощный ключевой транзистор), а уже ему в нагрузку вот этот умножитель из пяти каскадов. Получится 288 вольт, этого в принципе должно быть достаточно. Будет использоваться 4 таких схемы, каждая заряжает один конденсатор 1000мкф*400в. К каждому такому конденсатору требуется присоединить по 6 светодиодов индикации текущего уровня заряда, мультипищатор (мультивибратор, работающий на звуковой частоте, по ходу заряда постепенно повышается частота, соответственно меняется тон) и один триггер Шмитта, у которого в нагрузке ключ заряда следующей схемы из цепочки (у последнего — триггер "готовность"). Для питания схем заряда (2 ключа, мультивибратор и 5 секций умножителя) используется несколько параллельных батарей типа "Крона", для питания систем управления (включая ТШ) используется одна независимая батарея типа "Крона". У меня возникает только 2 вопроса: КАК подключить эти самые светодиоды, мультипищатор и ТШ на КТ315 (не спалив ни то ни другое) и сколько батарей придется запараллелить в цепи заряда чтобы полностью зарядить конденсаторы один раз (если вдруг одной кроны хватит — скажите, пожалуйста, на сколько полных перезарядов будет хватать?)

Источники питания для зарядки конденсаторов большой ёмкости

Источники высокого напряжения постоянного тока крайне востребованы среди производителей рентгеновской медицинской аппаратуры, аппаратуры для неразрушающего контроля металлоконструкций и в сфере безопасности, в радиолокации и в научных исследованиях как составная часть лазерных установок. В данной статье рассказано о модульных источниках TDK-Lambda серии ALE 303, позволяющих конфигурировать системы с требуемыми параметрами, не переплачивая и не экономя на качестве.

Вступление

Источники питания для зарядки конденсаторов серии ALE от компании TDK-Lambda разработаны специально для быстрой и эффективной зарядки конденсаторов в импульсных источниках, предназначенных для питания лазеров и модуляторов.

Приборы ALE функционируют в режиме источников постоянного тока, что делает их как нельзя более подходящими для работы с переменным сопротивлением нагрузки заряжаемого конденсатора. Далее мы выделим преимущества источников питания серии ALE и приведём сведения о некоторых мерах предосторожности, которые полезно знать при зарядке больших накопительных конденсаторов с высокой энергией.

Источники питания для зарядки конденсаторов серии ALE от TDK-Lambda рассчитаны на работу в двух режимах. В своём наиболее распространённом формате они используются в качестве источников для зарядки конденсаторов постоянного тока, которые надёжно заряжают высоковольтные конденсаторы и сети формирования импульсов (Pulse Forming Networks – PFN) в лазерах и модуляторных цепях.

Однако они также могут работать как источники напряжения постоянного тока с непрерывной выходной мощностью для питания ВЧ-генераторов и других непрерывных нагрузок постоянного тока.

Зарядка конденсаторов от источников постоянного тока

Источники питания для зарядки конденсаторов сконструированы и рассчитаны таким образом, что они фактически способны выдавать более чем двукратную среднюю выходную мощность в течение нескольких миллисекунд и при определённых выходных условиях.

Если стандартный источник зарядки конденсатора работает в непрерывном режиме постоянного тока, внутренняя схема обнаружения неисправностей нагрузки отключает его выход примерно через 500 мс, а затем циклически включает и выключает выход с интервалом 500 мс, чтобы предотвратить повреждение источника питания и нагрузки.

Для надёжной работы в непрерывном режиме постоянного тока выходной ток источника зарядки конденсатора ограничивается, так что средняя номинальная мощность блока постоянного тока никогда не может быть превышена.

Все источники питания для зарядки конденсаторов серии ALE отрегулированы таким образом на заводе для работы в непрерывном режиме постоянного тока без превышения их средней номинальной мощности. Такой модифицированный источник питания обычно содержит -DC в описании модели, например, 500A-1kV-POS-DC, или 303S-12kV-NEG-DC.

Ёмкость выходного фильтра источника

Пульсации напряжения в нагрузке

Ограничение величины пульсации напряжения в нагрузке является ключевым требованием для многих мощных цепей постоянного тока. Например, пульсация напряжения на некоторых радиочастотных трубках приводит к пульсации выходной частоты, которая может ухудшить параметры системы.


Условные обозначения: C_нагр – ёмкость нагрузки; I_нагр – ток в нагрузке; Z_нагр – сопротивление нагрузки.


Аппроксимировать пульсацию напряжения относительно просто, если известно несколько параметров схемы. Рассмотрим простой ёмкостный фильтр, схема которого приведена на рис. 1. Хотя точная форма сигнала нагрузки довольно сложна, её можно аппроксимировать сплошной линией, показанной на рис. 2. В этом случае легко определить пульсацию напряжения, рассмотрев скорость разряда конденсатора. Если предположить, что ток зарядки конденсатора неизменен (I_нагр), то пульсации напряжения можно выразить зависимостью (1):
­

где I_нагр – ток нагрузки (А), ΔQ – заряд конденсатора (Кл), Т – время (с), ΔV – амплитуда пульсаций напряжения (В), C – ёмкость нагрузки (Ф).
Решение уравнения (1) относительно амплитуды пульсаций напряжения ΔV даёт уравнение (2):

где f – частота переключения источника тока (Гц).
Уравнение (2) можно переписать относительно C, что даст необходимую для достижения заданного уровня пульсаций ёмкость фильтрующего конденсатора:

Поясним это на примерах.

Имеется источник питания модели LC1202-DC мощностью 1 кВ, работающий с нагрузкой 12 А, который должен обеспечить пульсацию от пика до пика 10 В. Какая ёмкость фильтра для этого требуется? (Примечание. Частота переключения LC1202-DC составляет примерно 40 кГц.)

Применяя формулу (3), получаем:


Имеется источник питания 30 кВ модели 303-DC, работающий с нагрузкой 1,5 А и ёмкостью внешнего фильтра

50 нФ. Какова будет амплитуда пульсации напряжения нагрузки? (Примечание. Частота переключения 303-DC составляет примерно 30 кГц.)

• микроволновые трубки:
  • индуктивные выходные трубки (IOT),
  • клистронные усилители,
  • магнетроны,
  • гиротроны,
  • трубка бегущей волны (TWT);
  • фильтры-осадители;
  • смещение сетки;
  • питание экранирующего электрода тетродов;
  • генерация плазмы;
  • общие исследования;
  • высокомощные радиочастотные усилители;
  • тестирование инверторов;
  • радары.

  Источники питания ALE для зарядки конденсаторов постоянного тока обеспечивают питание радиолокатора слежения за космическим челноком, ускорителей протонной лучевой терапии, морских радиолокационных систем, прецизионных тепловых приборов и направленного энергетического оружия. Конечный пользователь часто обнаруживает, что высоковольтные продукты серии ALE от TDK-Lambda представляют собой значительно более компактные и дешёвые альтернативы по сравнению с обычными коммутационными и линейными источниками питания постоянного тока.

  

  Методы защиты от обратного напряжения

  Простая резистивная защита
  

  Когда высокое напряжение передаётся по коаксиальному кабелю, например, по кабелю Lambda EMIs ALE HV, он должен быть терминирован сопротивлением, которое равно или больше характеристического импеданса кабеля. Этот резистор ограничивает рассеяние энергии в закороченном кабеле, предохраняя от перегрузки выходные каскады источника. Обратное напряжение может вызвать неустойчивую работу и повредить выходные цепи блока питания. Схема на рис. 3 иллюстрирует типичную нагрузку источника питания при зарядке высоковольтных конденсаторов. Если в цепи отсутствует последовательное сопротивление R_t, при замыкании переключателем S₁ выходного кабеля питания (короткое замыкание) энергия C₁ разряжается через S₁. Импульс, произведённый разрядом, отражается на замкнутом переключателе S₁ и распространяется обратно в выходные каскады блока питания. Добавление к цепи нагрузки R_t позволяет согласовать выходной импеданс кабеля питания с нагрузкой, и, следовательно, импульс, возникающий при замыкании S₁, рассеивается в R_t. Обычно R_t выбирается с номинальной мощностью 200 Вт и сопротивлением от 50 до 500 Ом. Эти параметры достаточны для удержания напряжения и токов в безопасных пределах во время разряда. Например, номинальная мощность согласующего резистора для источника питания серии 303 при 40 кВ может быть рассчитана следующим образом: I_out = 1,88 А, R_t = 50 Ом, тогда средняя мощность = (1,88) 2 × 50 = 176,72 Вт. Есть и ещё два дополнительных источника тока, которые могут вызвать на несколько порядков бóльшую выделяемую мощность. Первый источник – это распределённая запасённая в выходной ёмкости питающего кабеля C_c энергия. На рис. 3 видно, что внутренняя ёмкость источника питания C₀ совместно с C_c разряжается через R_t и R₀ (R₀ представляет собой выходное сопротивление источника питания, которое обычно составляет несколько Ом или меньше) каждый раз, когда S₁ замыкается. Типичное значение для C₀ составляет 200 пФ и зависит от длины выходного кабеля приблизительно в пропорции 30 пФ/фут. Для стандартного 10-футового (

  3 метра) кабеля эта ёмкость может составлять 300 пФ.

  Если предположить, что напряжение заряда цепи составляет 40 кВ, запасённая в C₀ и C_c энергия составит:
  
  Если циклы разряда повторяются с частотой 1 кГц, тогда средняя мощность, рассеиваемая в R_t и R₀, составляет 0,4 Дж × 1000, или 400 Вт. Дополнительная рассеиваемая мощность в R_t вызвана обратным напряжением через S₁. Например, при положительной выходной мощности питания, если разрядная цепь недостаточно демпфирована, при переключении S₁ замыкает высоковольтный кабель, и переходное отрицательное напряжение подаётся на выход источника питания. Когда это произойдёт, ток потечёт через источник питания, выходные выпрямительные диоды и R_t на землю, как это показано на рис. 4. Если пиковый ток, связанный с изменением напряжения нагрузки, будет достаточно большой, это может вызвать повреждение выходных выпрямителей. Порог этого повреждения при реверсе напряжения трудно определить количественно, но если изменение направления напряжения может приводить к тому, что выходной ток будет больше номинального выходного тока источника питания, тогда в цепь нагрузки следует добавить защитный диод. Следующая формула может использоваться в качестве руководства при выборе диода защиты от обратного напряжения.
  
  где V_R – реверсивное напряжение (В), I_ном – номинальный выходной ток источника питания высокого напряжения, R_t – последовательное сопротивление, показанное на рис. 3, то требуется установка защитного диода.
  

  Условные обозначения: C₁, L₁, R₁ – эквивалентная схема нагрузки блока питания; S₁ – переключатель, закорачивающий выход источника питания; C₀, L₀, R₀ – эквивалентная схема блока питания; D₁ – предохранительный диод; C_c – выходная ёмкость кабеля; R_t – последовательное сопротивление.

  

  Условные обозначения: V_R – реверсивное напряжение; T_R – длительность импульса; D₁ – предохранительный диод.

  Диодно-резистивная защита

  Типовая схема нагрузки с дополнительным защитным диодом приведена на рис. 5.
  

  Условные обозначения: R’_t – гасящий резистор; R_t – резистор; C_c – эквивалентная ёмкость кабеля; C₁, L₁, R₁ – эквивалентная схема нагрузки блока питания; S₁ – переключатель, закорачивающий выход источника питания.

  Правильный выбор байпасного диода очень важен для обеспечения надёжности и эффективной защиты от обратного тока. Пользователь должен убедиться, что выбранный диод удовлетворяет следующим трём условиям:

  • номинальное обратное напряжение диода должно быть больше, чем рабочее напряжение цепи нагрузки и рабочее напряжение источника питания;
  • среднеквадратичное значение тока, протекающего через диод, меньше, чем номинальная цифра, заявленная производителем;
  • прямое падение напряжения на диоде в проводящем состоянии должно быть меньше падения напряжения на диодах блока питания (если R_t не используется).

  В целях безопасности пользователь должен принять коэффициент номинального напряжения равным 1,5 для обеспечения запаса на случай перенапряжения вследствие переходных процессов в цепи нагрузки. То есть в случае номинала питания 20 кВ диод обратной защиты должен быть рассчитан примерно на 30 кВ.
  Средний допустимый ток через защитный диод (I_RMS) должен быть выше тока из-за реверсирования напряжения нагрузки. Значение I_RMS можно определить, выполнив следующие действия.
  Пиковый ток I_PK при реверсировании напряжения определяется:
  
  где R_t – резистор, показанный на рис. 5. Импульсный обратный ток одного цикла составляет:
  
  Для периодических импульсов в нагрузке общее среднеквадратичное значение тока через защитный диод можно определить по формуле:
  
  V_R можно измерить осциллографом с помощью высоковольтного зонда. Начинать измерение надо с источником питания, настроенным на низкое выходное напряжение, без байпасного диода. Для этих условий требуется определить величину обратного импульса. Затем использовать полученные значения как руководство, чтобы понять, чего ожидать от полного рабочего напряжения, что позволит избежать аварийной ситуации. Прямое падение напряжения на защитном диоде критически важно для достижения эффективной защиты. Схема на рис. 6 иллюстрирует эквивалентную выходную цепь источника питания с реверсом напряжения. Обратный ток I_R определяется по формуле:
  
  Сопротивление R’_t должно быть выбрано таким, чтобы поддерживать I_R на уровне, меньшем или равном номинальному выходному току источника питания. Ключевым моментом при выборе защитного диода является обеспечение значения реверсивного напряжения V_f настолько низким, насколько это возможно (V₁ – напряжение источника питания).
  

  Условные обозначения: V_f – реверсивное напряжение; V₁ – напряжение источника питания; I_R – ток в нагрузке; R’_t – гасящий резистор; D₁ – предохранительный диод.

  Что такое коррекция коэффициента мощности

  Импульсный источник питания может потреблять примерно 950 Вт при стандартном напряжении питания 110 В переменного тока и установленном автомате защиты номиналом 15 А. Простой тостер при этих же условиях может выдавать мощность почти 1400 Вт. Эта разница связана с низким коэффициентом мощности импульсного источника питания. Если скорректировать коэффициент мощности источника питания, то он сможет потреблять бóльшую мощность, что позволяет ему питать бóльшую нагрузку от той же сети.

  Технически коэффициент мощности (Power Factor, PF) – это отношение потребляемой электроприёмником активной мощности к полной потребляемой мощности, он выражается десятичным значением в пределах от 0 до 1. Коэффициент мощности можно интерпретировать как разность фаз между синусоидальными значениями сигналов напряжения и тока в нагрузке. Когда в нагрузке переменного тока присутствует ёмкостная или индуктивная составляющая, между током и напряжением в нагрузке образуется сдвиг фаз, как показано на рис. 7. Это вызывает протекание в цепи нагрузки паразитного тока, не потребляемого нагрузкой, но создающего потери в силовых кабелях, равные I 2 R. Простой резистор имеет наивысший коэффициент мощности, равный 1, так как ток, протекающий через него, абсолютно совпадает по фазе с напряжением. Электродвигатель является индуктивной нагрузкой, что особенно ярко выражается при его запуске. Фаза волны тока через него отстаёт от фазы волны напряжения, снижая коэффициент мощности. Вот почему на многих двигателях переменного тока устанавливают пусковые конденсаторы, корректирующие коэффициент мощности во время запуска двигателя.

  Импульсный источник питания, если рассматривать его как устройство переменного тока, не является ни ёмкостной, ни индуктивной нагрузкой – он нелинеен. Дискретный режим переключения источника питания вызывает короткие импульсы тока в питающей сети, которые находятся в фазе с линейным напряжением. Среднеквадратичное значение мощности такого источника (U_RMS × I_RMS) значительно превышает реально потребляемую им мощность, что определяет PF импульсного источника в пределах 0,65.
  

  Корректор коэффициента мощности

  Неединичный коэффициент мощности можно улучшить с помощью корректоров коэффициента мощности (ККМ, или Power Factor Corrector, PFC). В случае импульсных источников питания они позволяют сгладить пульсирующий переменный ток, снизив его среднеквадратичное значение и улучшив таким образом PF. Существует два основных типа ККМ: активный и пассивный.

  Активный ККМ более эффективен, но и более дорог. Он, как правило, интегрируется в схему импульсного источника питания и может обеспечивать PF до 0,98.

  Пассивный ККМ более надёжный, простой и недорогой. Он обычно даёт PF до 0,90.

  Получение дополнительной выходной мощности

  Чтобы определить, насколько большая мощность станет доступна при применении ККМ, пользователь должен знать следующее уравнение, определяющее количество энергии, доступной от источника питания:

  P_out = V_{L RMS} × I_{L RMS} × PF × Eff,

  где P_out – выходная мощность, V_{L RMS} – среднеквадратичное напряжение на нагрузке, I_{L RMS} – среднеквадратичный ток в нагрузке, Eff –КПД нагрузки.

  Например, напряжение питания источника ограничивает линейный ток системы до 80% от номинала автоматического выключателя. Для обычного выключателя с уставкой 15 А максимально допустимая величина постоянно протекающего тока – 12 А, а доступная мощность в лучшем случае будет равна 120 В переменного тока × 12 А = 1440 Вт. Импульсный источник питания с КПД 85% и PF = 0,65 может обеспечить только (120 × 12 × 0,65 × 0,85) = 796 Вт. Однако если повысить коэффициент мощности до 0,98, тот же источник питания теперь сможет обеспечивать (120 × 12 × 0,98 × 0,85) = 1200 Вт, что означает увеличение на 51%.

  Источники серии ALE могут комплектоваться как активными, так и пассивными ККМ, в зависимости от их уровня мощности. Источники питания высокой мощности с 3-фазными входами используют пассивный ККМ, что позволяет получить типичное значение коэффициента мощности от 0,8 до 0,9. Пассивный ККМ много проще в реализации, чем активный, особенно если речь идёт о высоких мощностях и трёхфазном питании.

  Есть и ещё один фактор, с которым помогают бороться блоки ККМ, – гармоники. Они возникают, когда питающий ток не имеет форму чистой синусоиды, как в случае с импульсной нагрузкой, которую представляют собой высоковольтные источники питания. Гармонические токи не влияют на мощность нагрузки, но вызывают нежелательные потери в питающей линии и снижают КПД силового трансформатора. ККМ в таких случаях позволяет подавлять гармоники, оставляя чистую «фундаментальную» частоту.

  Параллельные системы высокой мощности

  Для применений, требующих средней мощности свыше 50 кВт, можно использовать несколько источников питания в параллельной системе постоянного тока. Необходимо позаботиться о том, чтобы обеспечить эффективное распределение нагрузки между блоками, и лучший способ добиться этого – использовать системный контроллер. Команда TDK-Lambda имеет большой опыт работы с чрезвычайно мощными системами постоянного тока, построенными в основном на источниках питания серии 303 с использованием центрального системного контроллера. Эти системы используют сложные топологии управления, которые обеспечивают превосходные уровни пульсации, хорошее регулирование, высокую стабильность в сочетании с низким уровнем запасаемой энергии.

  • средняя мощность до 1 МВт;
  • пульсации лучше, чем 0,015% (пик–пик);
  • выходная накопленная энергия менее 10 Дж;
  • стабильность лучше, чем 10 ppm/°C (10 × 10 –6 /°C);
  • регулирование лучше 0,0001%;
  • КПД 90%;
  • отклик на появление дуги – быстрее 50 мкс.

  Зарядка в режиме неисправности нагрузки

  Адаптер быстрой зарядки

  

  Примеры расчётов

  Обычный источник питания HVDC

  Обычный источник питания HVDC мощностью 30 кВт, 26 кВ имеет номинальный выходной ток 1,15 А (30 кВт/26 кВ). Время зарядки нагрузочного конденсатора ёмкостью 7000 мкФ до напряжения 24 кВ вычисляется:

  T_c = C × V/I = 7000 × 10 -6 × 24 × 103 / 1,15 = 146 с.

  Источник питания для зарядки конденсаторов без LCA

  Модель 303 ALE представляет собой источник зарядки конденсатора мощностью 30 кВт с пиковым выходным током 2,88 А при 26 кВ. Средний зарядный ток составляет половину этого значения (1,44 А), когда источник питания работает в режиме неисправности нагрузки. Время зарядки вычисляется:

  T_c = C × V/I = 7000 × 10 -6 × 24 × 103 / 1,44 = 117 с.

  Источник питания для зарядки конденсаторов с LCA

  При использовании той же модели источника питания ALE 303 и адаптера длительного заряда время зарядки нагрузки до 24 кВ составляет T_c = 66 с (расчёт произведён с использованием электронной таблицы моделирования).

  На рис. 9 приведены кривые зарядки конденсатора для всех перечисленных случаев. Эта диаграмма и данные на ней ясно показывают, что источник питания ALE 303, оснащённый LCA и имеющий ту же номинальную мощность, что и обычный источник постоянного тока (30 кВт), заряжает нагрузку 7000 мкФ до 24 кВ более чем в два раза быстрее.
  
  Более короткое время зарядки значительно снижает стресс нагрузочного конденсатора, что приводит к увеличению срока его службы. Существует три различных LCA, каждый из которых предназначен для использования с одним из трёх семейств продуктов. Все LCA функционируют идентично, но имеют различное расположение выводов разъёма в зависимости от интерфейса управления семейства блоков питания:

  • номер 26922100 для моделей 500A, 102A, 152A и 202A;
  • номер 26922200 для моделей 402, 802, XR802 и LC1202;
  • номер 26922300 для моделей 203 и 303.

  Дополнительные меры предосторожности

  Когда источник питания для зарядки конденсатора используется для зарядки цепи нагрузки, накапливающей более 1 кДж энергии, между источником питания и нагрузкой целесообразно добавить внешнюю изолирующую цепь. Она предотвратит разрядку нагрузочного конденсатора в источник питания в случае неисправности в выходной секции источника питания. Если изолирующая цепь не была установлена, гарантия на источник питания может быть аннулирована. Рекомендуемая изолирующая цепь показана на рис. 10. Диод D_i изолирует источник питания от нагрузки и в случае катастрофического сбоя в выходной секции источника питания предотвратит быстрый разряд энергии, накопленной в C_нагр, через источник питания, что может представлять угрозу безопасности. D_i должен иметь номинальное обратное напряжение, по крайней мере в 1,5 раза превышающее номинальное напряжение источника питания, и номинальный прямой ток, по крайней мере в 2 раза превышающий номинальный ток источника питания. Резистор R_i предназначен для рассеивания энергии, накопленной в C_нагр, в случае выхода источника питания из строя. Значение сопротивления R_i должно быть приблизительно в пределах 100 Ом с возможностью рассеяния всей накопленной в C_нагр энергии. Для обеспечения дополнительной изоляции рекомендуется перед разрядкой нагрузки отключить источник питания от цепи нагрузки с помощью высоковольтного реле или расцепителя.
  

  Условные обозначения: R_i – гасящий резистор; D_i – предохранительный диод; C_нагр – ёмкость нагрузки.

  Высоковольтные силовые решения под ключ

  Компактные высоковольтные энергосистемы под ключ ALE (рис. 11) основаны на более чем 20-летнем успешном опыте проектирования и поставки решений для электропитания постоянным током мощностью несколько кВт. Они удовлетворяют требованиям самых сложных приложений. Широкое использование стандартных функциональных блоков обеспечивает максимальную гибкость проектирования и производительность систем, сводя к минимуму их стоимость и время ожидания готовности. В модульном и масштабируемом подходе TDK-Lambda к проектированию для подачи первичного высокого напряжения постоянного тока в систему используется объединение нескольких стандартных силовых модулей серии ALE 303 мощностью 50 кВт. Выходы силовых модулей этой серии объединяются при помощи простой распределительной коробки, которая также может содержать выходной фильтр и обеспечивать обратную связь по напряжению/току. Выходы всей системы и отдельных силовых модулей централизованно контролируются главным контроллером, обеспечивающим как локальный, так и удалённый пользовательский интерфейс. Главный контроллер генерирует все управляющие сигналы, необходимые для каждого из силовых модулей 303S. Использование технологии управления частотой многофазной сети переменного тока приводит к низким пульсациям выходного напряжения без необходимости в большом накоплении выходной энергии конденсаторами фильтра. Контроллер взаимодействует с каждым силовым модулем серии 303 (или с их блоком) и с распределительной коробкой, что обеспечивает стабильное выходное напряжение системы и обратную связь по току, а также контроль рабочего состояния системы.
  
  Каждый силовой модуль состоит из одного блока питания модели 303S с водяным охлаждением. 303S – проверенный временем блок питания мощностью 50 кВт. Его номинальное напряжение может регулироваться в пределах 5…50 кВ. Общее количество модулей 303S, необходимых в системе, определяется требованиями к питанию из расчёта одного модуля на каждые 50 кВт мощности (один на 40 кВт при входном напряжении 400 В переменного тока).

  Поскольку система на 100% масштабируема, теоретически ограничений на количество источников питания серии ALE 303, которые могут быть подключены параллельно, нет. Следовательно, с использованием стандартных модулей могут быть построены ультракомпактные системы очень высокой мощности.

  Если сверхнизкое накопление энергии и малые пульсации являются обязательными условиями, распределительная коробка может комплектоваться сложным многоступенчатым LC-фильтром.

  Описанный модульный и масштабируемый подход к проектированию позволяет TDK-Lambda предлагать компактные и мощные источники со средней выходной мощностью от 60 кВт до более 1 МВт под ключ с использованием типовых проверенных базовых блоков.

  В табл. 2 приведены некоторые параметры источников TDK-Lambda серии ALE.
  

  Заключение

  Использование данных источников питания для зарядки конденсаторов даёт в руки пользователям готовые проверенные временем решения, которые избавят от множества проблем и позволят существенно сэкономить на оборудовании. Ознакомиться более детально с характеристиками изделий, получить техническую консультацию по их применению и приобрести источники питания можно в компании ПРОСОФТ, которая является официальным представителем TDK-Lambda в России. ●

  Читать:

  Как сделать свой паяльник