Выбор и сравнительный анализ схем преобразователей для автономных зарядных станций стартерных аккумуляторных батарей

Многие из существующих в настоящее время зарядных станций реализованы на базе ведомых управляемых выпрямителей или неуправляемых с токоограничивающими балластными резисторами. Для согласования с сетью используется низкочастотный (50 Гц) трехфазный трансформатор, что определяет большие габариты и вес зарядного преобразователя. Управляемые выпрямители имеют низкий коэффициент мощности. Преобразователи с токоограничивающими резисторами являются низкоэффективными.

Более высокую эффективность, малые габариты и вес, а также высокий коэффициент мощности имеют зарядные устройства, выполненные на импульсных преобразователях. Практический интерес представляет выбор и анализ таких преобразователей для автономных зарядных станций, то есть при питании преобразователя от источника ограниченной мощности, каким и является дизель-генератор.

Решаемые задачи:

• выбор и сравнительный анализ структурных схем преобразователей по расчетной мощности;
• сравнительный анализ преобразователей исходя из требований электромагнитной совместимости.

Технические требования

• Требования конструкции:
  • модульное исполнение — несколько независимо работающих устройств;
  • критичными являются масса и габариты.
• Функциональные требования:
  • зарядно-разрядные модули (ЗРМ) должны включать системы, обеспечивающие заряд, разряд и проведение контрольно-тренировочных циклов аккумуляторных батарей (АБ);
  • питание как от дизель-генераторной установки, так и от сети.
• Основные параметры и характеристики:
  • мощность модуля: не менее 2 кВт;
  • нормы качества электрической энергии на входе:
    • ток: переменный, трехфазный,
    • напряжение: 380±40 В,
    • частота: 50 ±5 Гц;
  • коэффициент мощности: не менее 0,94;
  • коэффициент вносимых искажений синусоидальности кривой напряжения входной электрической цепи не должен превышать 8% [1, 2];
  • коэффициент вносимых искажений синусоидальности кривой потребляемого тока не должен превышать 30% [3, 4].

Выбор и сравнительный анализ структурных схем ЗРМ по установленной мощности

При заданных требованиях к коэффициенту мощности и качеству потребляемой электроэнергии возможны следующие структурные схемы зарядных модулей:

• сетевой понижающий трансформатор — AC/DC-преобразователь;
• AC/DC-преобразователь с согласующим трансформатором, работающим на повышенной частоте f >> 50 Гц.

При всех достоинствах импульсного регулирования первый тип обладает меньшей эффективностью из-за больших габаритов и массы согласующего низкочастотного трансформатора. Далее для сравнения выбраны преобразователи с промежуточным преобразованием на повышенной частоте.

Возможные варианты исполнения:

1. Неуправляемый выпрямитель — DC/DC-преобра­зователь (инвертор — высоко­частотный трансформатор — выпрямитель) (рис. 1).
2. Неуправляемый выпрямитель — повышающий преобразователь — DC/DC-преобразователь (рис. 2).
3. Активный выпрямитель — DC/DC-преобра­зователь (рис. 3).

Рис. 1. Вариант 1. Неуправляемый выпрямитель — инвертор — высокочастотный трансформатор — выпрямитель

Рис. 2. Вариант 2. Неуправляемый выпрямитель — повышающий DC/DC-преобразователь — инвертор — высокочастотный трансформатор — выпрямитель

Рис. 3. Вариант 3. Активный выпрямитель — инвертор — высокочастотный трансформатор — выпрямитель

Сравнительная оценка свойств выбранных схем преобразователей дана в таблице 1.

В таблице 2 приведены сравнительные данные по расчетной мощности зарядных преобразователей. Зарядный преобразователь состоит из нескольких преобразовательных устройств. Установленная мощность каждого устройства (за исключением повышающего преобразователя) определялась как произведение максимально возможных значений напряжения и тока на его выходе (или входе).

Расчетная мощность повышающего преобразователя установлена как произведение максимального входного тока (выходного тока сетевого выпрямителя) и разности между максимальным и минимальным напряжением на его входе. Стабилизированное напряжение на выходе принято равным максимально возможному входному напряжению.

Расчеты проведены для модуля с выходной мощностью 2 кВт.

Для наглядности на рис. 4 приведена зависимость расчетной мощности зарядного модуля для каждого из рассматриваемых вариантов, которая определялась как сумма расчетных мощностей его составляющих. Расчетная мощность дана по отношению к номинальной выходной мощности.

Рис. 4. Зависимость суммарной расчетной мощности зарядного преобразователя от нестабильности сетевого напряжения

Выводы:

• расчетная мощность растет с ростом нестабильности входного напряжения;
• при высокой нестабильности входного напряжения (более 5–10%) целесообразно использовать схемы со стабилизацией постоянного напряжения, при этом существенно выигрывает схема с активным выпрямителем;
• схема с неуправляемым выпрямителем целесообразна при стабильном входном напряжении (нестабильность менее 5%), поскольку является наиболее простой в управлении и, соответственно, более надежной.

Сравнительный анализ исходя из требований ЭМС

Анализ выполнен методом имитационного моделирования с использованием программного пакета NI Multisim 14. Измерения коэффициента мощности, коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения и тока проводились виртуальными измерительными средствами (ваттметром и ТНD-анализатором).

Имитационная модель генератора — трехфазная система источников переменного тока, соединенных в звезду. Последовательно с каждой ЭДС включена индуктивность рассеяния обмотки генератора. Индуктивное сопротивление рассеяния обмоток генератора (синхронной явно полюсной машины) принято равным χ_S = 0,1 в относительных единицах. Индуктивность рассеяния обмоток генератора мощностью 12,5 кВт (питание четырех 2-кВт модулей) рассчитана по формуле:

где U_ном — номинальное фазное напряжение генератора; I_ном — номинальный фазный ток; Р_ном — номинальная мощность генератора; ω = 2πf — круговая частота (f = 50 Гц).

Моделировались входные каскады зарядного преобразователя, оказывающие непосредственное влияние на питающую сеть. Выходной DC/DC-преобразователь в моделях заменен эквивалентным резистором, сопротивление которого определялось по формуле:

где P — выходная мощность модуля (2 кВт); U — напряжение на входе инвертора; η — КПД (0,9).

Осциллограммы потребляемого тока и напряжения на входных выводах преобразователей для номинального режима представлены на рис. 5–7. Результаты анализа отражены в таблице 3.

Рис. 5. Осциллограммы входного напряжения и потребляемого тока имитационной модели зарядного преобразователя (вариант 1)

Рис. 6. Осциллограммы входного напряжения и потребляемого тока имитационной модели зарядного преобразователя с неуправляемым выпрямителем и повышающим преобразователем (вариант 2)

Рис. 7. Осциллограммы токов в реакторах входного фильтра (а), осциллограммы входного напряжения преобразователя и потребляемого тока (б) зарядного преобразователя с активным выпрямителем (вариант 3)

Выводы:

• все рассматриваемые зарядные преобразователи соответствуют техническим требованиям по электромагнитной совместимости (ЭМС);
• наилучшие показатели по ЭМС обеспечивает преобразователь с активным выпрямителем на входе.

Пример реализации зарядно-разрядного модуля

В качестве DC/DC-преобразователя при мощности более 1 кВт целесообразно использовать мостовой инвертор с фазосдвигающим контроллером и синхронным выпрямителем на вторичной стороне трансформатора. Такая схема обеспечивает:

• широкий диапазон регулирования;
• мягкую коммутацию при нулевом напряжении (ZVS);
• низкие потери мощности в выходном выпрямителе за счет использования полевых транзисторов;
• возможность реализации обратимого преобразователя, что позволяет осуществить разрядный цикл аккумуляторной батареи переводом выходного выпрямителя в режим инвертора и передачи энергии на шину DC-преобразователя или в питающую сеть (при ее наличии и использовании в качестве входного каскада активного выпрямителя, который переводится в режим инвертирования).

Упрощенная электрическая схема силовой части и системы управления зарядно-разрядного модуля, работающего от дизельной электростанции, представлена на рис. 8. Силовая часть содержит АC/DC-преобразователь с выходным емкостным фильтром, инвертор, управляемый от фазосдвигающего контроллера, согласующий трансформатор и синхронный выпрямитель, соединенный через LC-фильтр с аккумуляторной батареей (АБ).

Рис. 8. Схема зарядно-разрядного модуля, работающего от дизельной электростанции

Зарядно-разрядный преобразователь снабжен микроконтроллером (МК). Основные функции МК:

• управление работой ЗРМ согласно установленным режимам и параметрам заряда (или разряда);
• контроль напряжения на АБ, зарядного (или разрядного) тока;
• контроль напряжения сети;
• индикация режимов работы и аварийная сигнализация;
• контроль температуры радиатора (защита от перегрева силовых п/п ключей).

Переход от режима заряда к режиму разряда АБ осуществляется при помощи контактора К1, управляемого от микроконтроллера. В режиме заряда обмотка контактора обесточена, силовые контакты находятся положении 2. При отпирании транзистора VТ7 силовые контакты переходят в положение 1. При этом транзисторы VТ5 и VТ6 подключают АБ к разрядному резистору R_разр. Управление транзисторами осуществляется непосредственно от микроконтроллера ШИМ-сигналом. Диод VD5 защищает транзисторы от перенапряжений при наличии у разрядного резистора индуктивности.

При наличии нескольких параллельно соединенных по цепи постоянного тока зарядно-разрядных преобразователей возможна реализация обмена энергией между ними. То есть зарядные преобразователи потребляют энергию от цепи постоянного тока, а разрядные — возвращают энергию в цепь постоянного тока. Однако такая конфигурация требует реализации информационного обмена между контроллерами преобразователей.

Передача энергии в цепь постоянного тока возможна, если преобразователь на транзисторах VТ5 и VТ6 переходит в режим инвертора, а на высокой стороне работают только диоды инвертора, образуя мостовой выпрямитель.

Выводы

При высоких требованиях к массе и габаритам зарядно-разрядного преобразователя целесообразно применение схем с согласующим трансформатором повышенной частоты.

Для автономных объектов, где питание осуществляется только от дизель-генератора и напряжение поддерживается стабильным, допустима схема зарядно-разрядного преобразователя, где в качестве первого каскада используется неуправляемый выпрямитель с выходным LC-фильтром. Выпрямитель обеспечивает приемлемые параметры по электромагнитной совместимости. При этом существенно упрощаются силовая часть и система управления, что повышает надежность.

При нестабильном питании необходимо использовать схему с преобразователем, стабилизирующим входное напряжение постоянного тока DC /DC-преобразователя.

Для объектов, где питание осуществляется от сети, а дизель-генераторная станция в резерве, рекомендуется схема с активным выпрямителем и реверсивным (двунаправленным) DC/DC-преобразователем. Преобразователь имеет наилучшие показатели по ЭМС и экономит электроэнергию в режимах разряда АБ.