RU2251201C2

RU2251201C2 - Battery charger controlled rectifier

Info

Publication number: RU2251201C2
Application number: RU2003115086/09A
Authority: RU
Inventors: И.С. Захаров (RU); И.С. Захаров; О.Г. Бондарь (RU); О.Г. Бондарь; В.А. Пиккиев (RU); В.А. Пиккиев; А.Г. Хардиков (RU); А.Г. Хардиков
Original assignee: Курский государственный технический университет
Priority date: 2003-05-20
Filing date: 2003-05-20
Publication date: 2005-04-27

Abstract

FIELD: electrical engineering; battery charger rectifiers.

SUBSTANCE: proposed controlled rectifier using center-tapped circuit arrangement has power transformer, choke, first and second thyristors whose cathodes are integrated; choke has two coils connected in series with first and second thyristors, respectively; connection of choke coils is cumulative and their leads are connected to secondary winding leads of power transformer.

EFFECT: enhanced reliability and reduced electromagnetic noise produced by rectifier.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники и может быть применено в составе зарядного устройства аккумулятора.The invention relates to the field of electrical engineering and can be used as part of a battery charger.

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.The charger should provide a current equal to the rated current of the battery charge during voltage fluctuations of the primary network and a change in voltage on the battery as it is being charged. Upon completion of the charge, the current should be reduced to zero. In automatic chargers, the criterion for the end of the charge is a certain voltage level, the rate of change of voltage on the battery, the expiration of a given charge time. Current regulation is usually done by a controlled rectifier.

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.Known controlled rectifier on a bridge circuit containing two thyristors, two diodes and a choke [1]. It has low reliability when working as part of a charger and a high level of electromagnetic interference, due to the large amplitude and high steepness of the fronts of the current pulses of the thyristors.

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].Closest to the proposed device is a half-wave controlled rectifier according to the scheme with a midpoint, which contains a power transformer having an average output from the secondary winding, two thyristors and a choke. Thyristors are connected by anodes to the extreme terminals of the secondary winding of the power transformer, and the cathodes of the thyristors are combined with the beginning of the inductor winding. The end of the inductor winding and the middle terminal of the secondary winding of the power transformer are connected to an external load (in the charger - to the battery) [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.This device also has low reliability and a high level of electromagnetic interference when operating as part of a charger. Low reliability is caused by significant pulsed overloads of thyristors during transients in the network and charger and during emergency conditions (short circuit of the load, malfunction of the control circuit). A feature of the chargers is the work on a very small load resistance (battery resistance) with significant voltage fluctuations of the primary network. By changing the opening moment of the thyristors, only the average value of the output current of the rectifier can be adjusted. Under these conditions, the load resistance cannot limit the amplitude of the current pulses at a level safe for thyristors. Current protection circuits are inefficient, since the thyristor remains open until the end of the half-cycle of the mains voltage.

Выбор тиристоров со значительным запасом по току приводит к существенному увеличению массогабаритных показателей и стоимости устройства.The choice of thyristors with a significant current margin leads to a significant increase in weight and size indicators and the cost of the device.

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.A high level of electromagnetic interference is due to the high slew rate of the thyristor current when it is opened. The inductor limits the slew rate of the battery current, but the slew rate of the currents in the thyristor circuits is limited only by the dissipation inductances of the power transformer and is practically uncontrollable. In this case, the usual measures to reduce the level of interference with input filters and shielding at high charging currents are ineffective.

Технической задачей изобретения является повышение надежности и снижение уровня электромагнитных помех, создаваемых устройством.An object of the invention is to increase reliability and reduce the level of electromagnetic interference generated by the device.

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.The solution to this problem is achieved by the fact that in a controlled rectifier of the charger, made according to the scheme with a midpoint, consisting of a power transformer, inductor, first and second thyristors, while the cathodes of the thyristors are combined, the inductor is made with two windings connected respectively between the extreme terminal of the secondary the windings of the power transformer and the anode of the first thyristor and the other extreme terminal of the secondary winding of the power transformer and the anode of the second thyristor, while the inductor windings are turned on according to.

Сущность изобретения поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

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.In figure 1. is a diagram of a controlled rectifier charger, figure 2. presents a structural diagram of the battery charge device of a mobile power plant, figure 3 - oscillograms at characteristic points of the circuit.

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).The circuit of the controlled rectifier of the charger (Fig. 1) contains a power transformer 1 with a secondary winding having a branch from the middle, a choke 2 with a first winding 3 and a second winding 4, the first thyristor 5 and the second thyristor 6. In this case, the cathodes of the thyristors are combined, the windings 3 and 4 of the inductor 2 are connected in series, respectively, with the first and second thyristors, and with each other according to. The free ends of the windings 3 and 4 of the inductor 2 are connected to the extreme terminals of the secondary winding of the power transformer 1 (it does not matter which one, but different).

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).As an example of application, consider the battery charge device of a mobile power plant according to the structural diagram (Fig. 2), which contains: a power transformer 1 that provides power supply for the power part of the device and the control unit, a choke 2 with two windings, a thyristor rectifier 3, a current sensor 4 forming voltage proportional to the charging current, sawtooth shaper 5, comparator 6 for comparing the sawtooth voltage with feedback voltage, which together with the shaper a pulse-shaped voltage 5 forms a pulse-width modulator, a voltage sensor 7 for generating a voltage proportional to the voltage at the output of the charger, a current feedback amplifier 8, a voltage feedback amplifier 9, a pulse shaper 10 of a fixed duration and the required power for controlling thyristors, a master the magnitude of the charging current 11, the voltage regulator of the end of charge of the battery 12, the alarm device 13, the voltage regulator of an unacceptable discharge of the battery 14, us roystvo protection against reverse battery 15, the locking device during short circuit and a deep discharge of the battery 16. The designations a, 16, 26, c, g, d - correspond to the points in which there are waveforms of the same name shown in Figure 3. In figure 3. shows the time diagram of the voltage of the network (a), the time diagram of the feedback voltage at the first input of the comparator 1 (b), the time diagram of the sawtooth voltage at the second input of the comparator 2 (b), the time diagram of the voltage at the output of the comparator (c), the time diagram of the voltage at the output of the pulse shaper (g), a temporary diagram of the voltage at the output of the current sensor (d).

Управляемый выпрямитель зарядного устройства работает следующим образом.Managed rectifier charger operates as follows.

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.In the presence of a network alternating voltage, the current in the secondary circuit of the power transformer 1 (Fig. 1) during one half-cycle flows through the first winding 3 of the inductor 2, the first thyristor 5, the load (not shown in Fig. 1) and the average output of the secondary winding of the power transformer 1. During another half-cycle, current flows through the second winding 4 of the inductor 2, the second thyristor 6, the load and the middle terminal of the secondary winding of the power transformer 1. The windings are phased in such a way that the inductor 2 is remagnetized in a symmetrical cycle. Therefore, the inductor 2 operates on alternating current, the amplitude of which is equal to the amplitude of the load current. The magnitude of the load current is determined by the resistance of the circuit, consisting of the resistance of the power transformer 1, the resistance of the open first thyristor 5 or the second thyristor 6, the load resistance and the inductive resistance of the winding 3 or 4 of the inductor 2. The inductive reactance of the inductor 2 is selected so that the maximum load current under all conditions operation did not exceed the direct maximum permissible current of the first and second thyristors, but the average value of the load current did not decrease below a specified minimum value cheniya.

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.To ensure this condition, it is necessary to increase the voltage of the secondary winding of the power transformer 1. This leads to a small increase in losses in the inductor 2. In this case, the overall dimensions of the inductor 2 are improved compared to the prototype, since there is no magnetization of the inductor.

Коэффициент пульсаций тока в цепи нагрузки возрастает по сравнению с прототипом, но для зарядного устройства (аккумулятора) этот фактор не является ограничивающим.The ripple coefficient of the current in the load circuit increases compared with the prototype, but for the charger (battery) this factor is not limiting.

Импульсные помехи в данной схеме имеют очень низкий уровень, так как скорость нарастания тока в цепях первого и второго тиристоров ограничивается индуктивностью дросселя:Pulse noise in this circuit is very low, since the current rise rate in the circuits of the first and second thyristors is limited by the inductance of the inductor:

где Umмакс - максимальная амплитуда напряжения вторичной полуобмотки силового трансформатора, Ua - напряжение аккумулятора, L - индуктивность одной обмотки дросселя.where Ummax is the maximum voltage amplitude of the secondary half-winding of the power transformer, Ua is the battery voltage, L is the inductance of one inductor winding.

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.Moreover, the requirements of electromagnetic compatibility are easily met even without the use of special measures to ensure it. The shape of the pulses of the charging current (Izar), which coincides with the shape of the current pulses in the power circuits of the first and second thyristors, is shown in figure 3, d.

Для иллюстрации применения управляемого выпрямителя зарядного устройства рассмотрим работу устройства заряда аккумуляторов передвижной электростанции (фиг.2.)To illustrate the use of a controlled rectifier charger, consider the operation of the battery charge device of a mobile power plant (Fig.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.In the presence of mains voltage, the current of the secondary winding of the power transformer 1 flows through the inductor 2, the thyristor rectifier 3, and the current sensor 4 into the battery (not shown in Fig. 2), creating a voltage Uout at the terminals of the latter. The voltage feedback amplifier 9, the sawtooth voltage generator 5 and the comparator 6 form a pulse-width modulation circuit. The open time of the thyristors will be the longer, the greater the difference between the voltages coming from the voltage setting end of the battery 12 and the voltage sensor 7. In this case, the average value of the charging current over a period of mains voltage increases. In figure 3. Timing diagram 2 (b) is the sawtooth voltage, and 1 (b) is the feedback voltage. The width-modulated output signal of the comparator 6 (Fig.2.) Is displayed on the diagram (c - Fig.3). Along the front of this signal, voltage pulses are formed at the output of the pulse shaper (d - Fig.3.), Which determine the moment of opening of the thyristors.

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.The limiting value of the charge current is limited by the current feedback amplifier 8. The current feedback amplifier 8 generates an output voltage proportional to the difference in the output voltages of the charge current setter 11 and the current sensor 4. When the charging current approaches the set value, the output voltage of the current feedback amplifier 8 decreases and decreases the output voltage of the voltage feedback amplifier 9. This reduces the on-time of the thyristor rectifier 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).The battery reverse polarity protection device 15 blocks the thyristor control pulse generator 10 when the battery polarity is reversed. This leads to the disappearance of the control pulses at the output of the pulse shaper 10 (g - figure 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.The locking device with a short circuit and deep discharge of the battery 16 blocks the comparator 6. At the same time, there are no rectangular pulses at its output (c - Fig. 3), and the thyristor rectifier 3 is locked.

Устройства защиты от переполюсовки аккумулятора 15 и устройство блокировки при коротком замыкании и глубоком разряде аккумулятора 16 по существу являются схемами сравнения.The reverse polarity protection devices of the battery 15 and the interlock device for short circuit and deep discharge of the battery 16 are essentially comparison circuits.

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.The emergency alarm 13 compares the voltage on the battery with the voltage of the voltage regulator for an invalid discharge of the battery 14 and notifies the operator of an invalid discharge by a light signal. Thus, the proposed device provides increased reliability and reduced electromagnetic interference while improving overall dimensions.

Источники информацииSources of information

1. Ромаш Э.М. Источники вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры. - М.: Радио и связь, 1981. 224 с.(С.86. Рис. 5-1б).1. Romash E.M. Sources of secondary power supply of electronic equipment. - M .: Radio and communications, 1981. 224 p. (P.86. Fig. 5-1b).

2. Ромаш Э.М. Источники вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры. - М.: Радио и связь, 1981. 224 с.(С.86. Рис.5-1а).2. Romash E.M. Sources of secondary power supply of electronic equipment. - M .: Radio and communications, 1981. 224 p. (P.86. Fig. 5-1a).

Claims

A controlled rectifier of the charger, made according to the scheme with a midpoint, consisting of a power transformer, inductor, first and second thyristors, while the cathodes of the thyristors are combined, characterized in that the inductor is made with two windings connected in series with the first and second thyristors, respectively, at In this case, the inductor windings are connected according to and connected with free ends to the ends of the secondary winding of the power transformer.