Устройство плавного заряда и разряда фильтрующих конденсаторов высоковольтного выпрямителя

Журнал РАДИОЛОЦМАН, февраль 2020

Михаил Гурович, США

Статья описывает устройство плавного заряда фильтрующих конденсаторов высоковольтного выпрямителя при подключении питания и разряда этих конденсаторов при снятии/отключении внешнего напряжения

Всем, кто сталкивается с высоковольтными источниками питания большой мощности в своей работе, известна проблема большого пускового тока, который потребляет выпрямитель в самый первый момент после подачи на него входного напряжения питания. Этот ток может в несколько раз превышать номинальный потребляемый ток устройства и приводит к ложному срабатыванию устройств токовой защиты. Пусковой ток достигает больших значений из-за того, что в первый момент после подачи напряжения питания конденсаторы фильтра полностью разряжены, и их сопротивление практически равно нулю. Именно это и приводит к резкому скачку тока. По мере заряда напряжение на конденсаторах увеличивается, и ток заряда падает практически до нуля при полностью заряженных конденсаторах (без нагрузки). Ограничение этого пускового тока – это одна из функций описываемого устройства.

Вторая функция – это разряд конденсаторов фильтра после отключения входного питающего напряжения при отсутствии нагрузки на выходе выпрямителя. Необходимость в таком разряде вызвана соображениями техники безопасности. Дело в том, что конденсаторы фильтра могут находиться в заряженном состоянии достаточно долгое время после выключения питания, особенно если мы имеем высоковольтный источник с большим выходным током, и конденсаторы имею большую емкость. Это остаточное напряжение может представлять опасность для обслуживающего персонала. Быстрый разряд конденсаторов фильтра как раз и является второй функцией описываемого устройства.

Особенностью этой конструкции является то, что в ней используются только пассивные компоненты – резисторы, конденсаторы, диоды и реле. Решения проблемы заряда и разряда конденсаторов с использованием активных компонентов хорошо известны, но в этой конструкции они не используются, что позволило решить задачу относительно просто, с минимальным количеством комплектующих и без применения дополнительного источника питания, необходимого для электронных модулей.

Описываемое схемное решение было применено в бестрансформаторном трехфазном выпрямителе для питания ультразвукового сварочного генератора. Выпрямитель подключен к трехфазной линии по схеме треугольника с напряжениями 280 В переменного тока между фазами. На выходе трёхфазного диодного моста размах напряжения достигает 400 B. Номинальный ток, отдаваемый этим выпрямителем, составляет 16 А.

Идея ограничения тока заряда состоит в том, что конденсатор подключается к выходу выпрямителя не напрямую, а через токоограничивающий резистор небольшого сопротивления, и по мере заряда конденсатора этот резистор шунтируется, обычно с помощью контактов реле. В процессе нормальной работы выпрямителя этот резистор остается зашунтированным. В предлагаемой конструкции используется резистор номинала 400 Ом, что ограничивает максимальный ток заряда на уровне 1 А.

При отключении питания разряд конденсаторов происходит в такой последовательности: после снятия (отключения) входного напряжения к выходу выпрямителя подключается резистор малого сопротивления, который быстро разряжает конденсаторы практически до нулевого уровня. В описываемой конструкции для разряда и заряда используется один и тот же резистор величиной 400 Ом.

Принципиальная схема устройства.
Рисунок 1. Принципиальная схема устройства.

Принципиальная схема устройства приведена на Рисунке 1.

Описание работы схемы и ее компонентов

  • Выход выпрямителя моделируется источником питания V1 и выключателем SW;
  • C_F – выходной фильтрующий конденсатор (или несколько конденсаторов);
  • Relay_CHRG – реле постоянного тока, ответственное за процесс заряда конденсатора C_F;
  • Relay_DSCHRG – реле постоянного тока, обеспечивает процесс разряда конденсатора C_F;
  • R_CD – резистор, выполняющий две роли: ограничивает максимальный зарядный ток при заряде и служит нагрузкой при разряде конденсатора C_F;
  • R_CHRG – резистор цепи питания Relay_CHRG;
  • C_DELAY – конденсатор схемы задержки срабатывания Relay_CHRG;
  • Резистор R_CHRG и конденсатор C_DELAY образуют цепь задержки включения Relay_CHRG;
  • R_DSCHRG – резистор, обеспечивающий режим работы Relay_DSCHRG;
  • D1 – диод, необходимый для разделения цепей входа и выхода, обеспечивающего режим быстрого разряда C_F;
  • D2 – диод, ускоряющий процесс разряда за счет параллельного включения обмоток обоих реле в режиме разряда.

Состояния устройства и алгоритм работы

Устройство может находиться в одном из четырех состояний.

  1. ОТКЛ – оба реле обесточены. Резистор R_CD соединяет выход схемы с землей.
     
  2. ЗАРЯД – подано входное напряжение. Relay_CHRG включается сразу и подключает вывод резистора R_CD (1) ко входу. Вывод резистора R_CD (2) пока подключен к конденсатору C_F. Конденсатор C_F начинает процесс заряда через этот резистор. Relay_CHRG отрабатывает задержку, и за это время конденсатор успевает зарядиться через резистор до некоторого напряжения, при котором переход на прямое подключение (состояние РАБОТА) не вызывает сильного броска тока.
     
  3. РАБОТА – основное состояние. Оба реле под полным напряжением, конденсатор C_F подключен к входному напряжению напрямую, резистор R_CD зашунтирован контактами реле.
     
  4. РАЗРЯД – состоит из двух фаз: Разряд_А и Разряд_Б.
  • Разряд_А – входное напряжение отключено, реле разряда отключается сразу и подключает вывод резистора R_CD (1) к земле.
    Реле заряда находится во включенном состоянии за счет напряжение на конденсаторе C_DELAY. C_DELAY разряжается через обмотку реле заряда и через D2 и обмотку реле разряда, отрабатывается задержка отключения, и по ее окончании вывод резистора R_CD (2) подключается к конденсатору C_F. В процессе разряда обмотки обоих реле соединяются параллельно через диод D2, что заметно ускоряет процесс разряда конденсатора C_DELAY и уменьшает время начала фазы Разряд_Б.
     
  • Разряд_Б – реле заряда отключается и разряжает C_F через резистор R_CD на землю.
    Временные диаграммы напряжений в различных узлах схемы показаны на Рисунке 2.
Временные диаграммы напряжений в различных узлах схемы. VIN - входное напряжение, VOUT - выходное напряжение, V_CHRG - напряжение на обмотке реле заряда, V_DSCHRG - напряжение на обмотке реле разряда.
Рисунок 2. Временные диаграммы напряжений в различных узлах схемы. VIN – входное напряжение,
VOUT – выходное напряжение, V_CHRG – напряжение на обмотке реле заряда,
V_DSCHRG – напряжение на обмотке реле разряда.

Рекомендации по расчету и выбору компонентов

Расчет и выбор компонентов устройства рекомендуется начать с реле.

Оба реле одинаковые, должны быть рассчитаны на работу на постоянном токе, иметь как минимум одну группу переключающих контактов. Параметры реле, на которые нужно обратить внимание, следующие:

  • Максимальный ток через замкнутые контакты должен быть выше, чем максимально возможный ток, отдаваемый выпрямителем в нагрузку;
  • Максимальное напряжение на разомкнутых контактах должно быть выше, чем пиковое напряжение на выходе диодного моста;
  • Сопротивление обмотки постоянному току;
  • Ток срабатывания и ток отпускания нужно знать, если вы планируете сначала провести программную симуляцию работы схемы. Обычно эти параметры приводятся в спецификации на реле, но если их там нет, параметры можно определить экспериментально.

Пример расчета компонентов

Вот пример расчета для следующего набора входных и выходных параметров:

Входное напряжение модуля VIN = 400 В постоянного тока.

Выходной ток модуля IOUT = 16 А.

Номинальное рабочее напряжение реле VR = 24 В постоянного тока.

Сопротивление обмотки постоянному току RR = 600 Ом.

Ток через обмотку реле в рабочем режиме

Сначала рассчитываем полное сопротивление делителя на основе тока через реле

В нашем случае это

С учетом сопротивления обмотки 600 Ом получаем сопротивление последовательного резистора, равным 9.4 кОм. Фактически были выбраны резисторы чуть меньшего сопротивления (8.2 кОм), чтобы обеспечить надежный режим работы реле при небольших возможных колебаниях входного напряжения. Очень важно отметить, что резисторы эти при работе нагреваются, и нужно рассчитать и выбрать резисторы с запасом по мощности.

Мощность, рассеиваемая на резисторе, составит

Очень рекомендуется выбрать резистор с запасом по мощности. Автор при изготовлении конструкции использовал резисторы мощностью 50 Вт, установленные на шасси.

Выбор резистора R_CD достаточно произволен. Автором выбран резистор сопротивлением 400 Ом и мощностью 20 Вт, чтобы ограничить максимальный зарядный ток на уровне 1 А. Следует отметить, что этот резистор работает в первый момент после включения – в фазе ЗАРЯД, и в самый последний момент при выключении – в фазе РАЗРЯД, и ток, напряжение и мощность на нем быстро падают по мере заряда/разряда выходного конденсатора.

Диод D1 должен иметь прямой максимальный ток, больший, чем максимальный ток, отдаваемый выпрямителем, и обратное напряжение, большее, чем максимальное входное напряжение модуля.

Диод D2 должен иметь рабочий ток выше, чем рабочий ток обмотки реле, а обратное напряжение больше входного напряжения модуля. Любой диод с напряжением 600 В и током в 1 А с успехом подойдет.

Величина конденсатора задержки не рассчитывалась, а подбиралась экспериментально при симуляции схемы в программе Multisim. При указанных величинах напряжений, резисторов и конденсаторов время фазы заряда составляет 0.7 с, время задержки разряда 1.0 с, время разряда примерно 3.0 с.

Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя