Тиристорно-конденсаторные регуляторы с дозированной передачей энергии

Содержание страницы

1. Введение: Эволюция управления энергией
2. Проблематика классических преобразователей
3. Принцип дозированной передачи энергии
4. Схемотехника и Принцип действия
5. Математическая модель и Характеристики
6. Сравнение топологий
7. Преимущества и Недостатки
8. Практический пример: Инженерный расчет источника питания
9. Интересные факты о тиристорных системах
10. Часто задаваемые вопросы (FAQ)
Заключение

Данная статья представляет собой большой обзор класса преобразователей постоянного напряжения, работающих по принципу дозированной передачи энергии. Мы подробно разберем, почему классические «жесткие» источники питания не подходят для многих технологических задач, как работает колебательный контур в роли дозатора энергии, и почему схемы на однооперационных тиристорах остаются актуальными в силовой электронике высоких энергий.

1. Введение: Эволюция управления энергией

В мире силовой электроники существует фундаментальная задача: согласовать источник энергии (обычно это сеть или выпрямитель с постоянным напряжением) с потребителем. Большинство стандартных преобразователей (ШИМ-регуляторы, понижающие/повышающие DC-DC конвертеры в режиме непрерывного тока) стремятся поддерживать на выходе стабильное напряжение. Их внешняя характеристика (зависимость выходного напряжения от тока) является жесткой. Это означает, что они ведут себя как идеальные источники ЭДС: сколько бы тока ни потребовала нагрузка, преобразователь пытается удержать напряжение неизменным.

Однако существует огромный класс технологических нагрузок, для которых такое поведение губительно или неэффективно:

Дуговая сварка и плазменная резка: здесь требуется ограничение тока короткого замыкания для стабилизации дуги.
Заряд емкостных накопителей: подключение разряженного конденсатора к жесткому источнику напряжения эквивалентно короткому замыканию.
Лазерные системы накачки: требуют точного дозирования энергии импульса.
Электрохимическая обработка и гальваника.

Для таких задач необходима падающая (мягкая) внешняя характеристика, когда преобразователь ограничивает мощность или ток при снижении сопротивления нагрузки. Исторически эту проблему решали введением сложных цепей обратной связи (ОС). Но ОС имеет инерционность: при мгновенном КЗ (коротком замыкании) транзисторы могут успеть выйти из строя до срабатывания защиты.

Решение: Использование топологий, которые физически не могут передать в нагрузку больше определенной порции энергии за цикл. Это и есть преобразователи с дозированной передачей энергии.

2. Проблематика классических преобразователей

Рассмотрим физику процесса. В преобразователях с непрерывным током (например, классический Buck-converter) энергия передается потоком. Коррекция формы внешней характеристики с помощью электроники (ПИД-регуляторов) создает так называемые искусственные характеристики.

В резкодинамических режимах (например, при зажигании дуги или пробое в нагрузке) сопротивление нагрузки меняется от бесконечности до нуля за микросекунды. Система управления с обратной связью реагирует с запаздыванием. Это приводит к колебательным переходным процессам, перенапряжениям или сверхтокам, способным разрушить силовые ключи.

Именно поэтому инженеры обратились к схемам, где ограничение тока заложено в самом принципе действия силовой части, а не в «мозгах» контроллера. Преобразователи с естественной крутопадающей характеристикой — это аппаратная защита и надежность.

3. Принцип дозированной передачи энергии

Суть метода заключается в использовании промежуточного накопителя энергии (дозатора), который на каждом цикле работы забирает фиксированную порцию энергии от первичного источника и передает её в нагрузку.

Представьте, что вам нужно наполнить бочку (нагрузку) водой из водопровода высокого давления (источник).

Классический метод: Вы открываете кран и пытаетесь регулировать поток рукой, глядя на уровень воды. Если дно бочки внезапно отвалится (КЗ), поток воды станет неуправляемым, пока вы не закроете кран.

Дозированный метод: Вы используете ведро (конденсатор $ C_k $). Вы наполняете ведро из крана, закрываете кран, подходите к бочке и выливаете. Даже если у бочки нет дна, вы не сможете вылить больше одного ведра за раз. Скорость наполнения (мощность) зависит только от того, как часто вы бегаете с ведром (частота $ f $).

3.1 Элементная база: Почему тиристоры?

В рассматриваемых схемах в качестве ключей используются однооперационные тиристоры. Несмотря на развитие IGBT и MOSFET, тиристоры остаются королями в области сверхвысоких мощностей и напряжений.

Цена/Мощность: Тиристор на 1000А и 2000В стоит значительно дешевле аналога на IGBT.
Перегрузочная способность: Тиристоры выдерживают ударные токи, в 10 раз превышающие номинальные, что критично для «дубовых» промышленных установок.
Коммутация: В схемах с дозированием энергии используется резонансная (мягкая) коммутация, что устраняет главный недостаток тиристоров — сложность запирания.

4. Схемотехника и Принцип действия

Обратимся к схемотехнике регулятора постоянного напряжения с дозированной передачей энергии. Ключевым отличием от классических инверторов является роль конденсатора $ C_k $. Здесь он — не просто элемент для запирания тиристоров, а главный энергетический резервуар.

4.1 Описание схемы (Рис. 1)

Схема представляет собой тиристорный мост, но с особенностями. Давайте разберем её по элементам (см. визуализацию ниже).

Элементы:
1. Источник питания E (слева).
2. Тиристорный мост: VT1, VT2, VT3, VT4.
3. В диагонали моста — последовательная цепочка: Конденсатор дозирования Cк и Реактор L.
4. Выходная цепь отделена Диодом VD.
5. Нагрузка: Фильтровой конденсатор Cф и резистор нагрузки Rн.

Внимание: Диод VD включен так, чтобы отсекать нагрузку во время заряда Cк.

Рисунок 1 (а) — Принципиальная электрическая схема регулятора постоянного напряжения с дозированной передачей энергии. $ VT1-VT4 $ — силовые тиристоры, $ C_k $ — дозирующий конденсатор, $ L $ — резонансный дроссель.

Ключевые узлы:

Мост VT1-VT4: Организует перезаряд конденсатора $ C_k $ то в одной, то в другой полярности.
Контур $ L-C_k $: Образует последовательный колебательный контур. Именно индуктивность $ L $ позволяет конденсатору зарядиться до напряжения выше, чем источник питания (эффект резонансной раскачки).
Разделительный диод VD: «Клапан», который открывается только тогда, когда энергия накоплена, и позволяет сбросить её в нагрузку.

4.2 Детальный анализ временных диаграмм (Рис. 2)

Работа устройства протекает циклически. Режим работы — прерывистый ток. Это значит, что между импульсами есть паузы, когда ток через тиристоры равен нулю (что и позволяет им закрыться). Рассмотрим один полупериод, разделенный на три этапа.

Графики с общей осью времени t:
1. Импульсы управления тиристорами.
2. Ток источника i0 (импульсы полусинусоиды).
3. Напряжение на конденсаторе uCк (линейно-колебательное нарастание).
4. Ток через диод iVD (возникает в конце заряда).
5. Выходное напряжение u_out (пульсации).
Отмечены моменты времени t1, t2, t3, t4.

Рисунок 2 (б) — Временные диаграммы токов и напряжений. Иллюстрация трех этапов передачи энергии за один полупериод.

Этап I: Резонансный заряд (Интервал $ t_1 — t_2 $)

В момент $ t_1 $ подаются импульсы на диагональную пару тиристоров, например, VT1 и VT2.

Предположим, что конденсатор $ C_k $ уже был заряжен с прошлого цикла до напряжения $ -(E + U_{вых}) $.
Ток начинает протекать по контуру:
$$ \text{Источник } E \rightarrow VT2 \rightarrow C_k \rightarrow VT1 \rightarrow L \rightarrow \text{Источник } E $$
Происходит колебательный перезаряд. Ток растет по синусоидальному закону (свойства LC-контура), а напряжение на конденсаторе плавно меняет знак с минуса на плюс.

Важно: На этом этапе диод VD заперт. Нагрузка отключена от процесса заряда. Энергия забирается от источника и «складируется» в магнитном поле дросселя $ L $ и электрическом поле конденсатора $ C_k $.

Этап II: Сброс энергии в нагрузку (Интервал $ t_2 — t_3 $)

В момент $ t_2 $ напряжение на дозирующем конденсаторе $ u_{Ck} $ достигает величины суммарного напряжения $ E + U_{вых} $.
Как только это происходит, потенциал на аноде диода VD становится выше потенциала катода (где присутствует $ U_{вых} $). Диод VD открывается.

С этого момента:

1. Напряжение на конденсаторе фиксируется. Дальнейший заряд невозможен.

2. Ток тиристоров обрывается (тиристоры закрываются, так как напряжение встречное).

3. Ток дросселя $ L $ больше не может течь через конденсатор и переключается (коммутирует) в цепь диода VD и нагрузки.

Энергия, накопленная в индуктивности $ L $, выбрасывается в выходной фильтр $ C_ф $ и нагрузку $ R_н $.

Этап III: Пауза и питание нагрузки (Интервал $ t_3 — t_4 $)

Когда ток дросселя спадает до нуля (энергия дросселя исчерпана), диод VD закрывается (момент $ t_3 $).
Все силовые ключи закрыты. Нагрузка $ R_н $ продолжает питаться энергией, запасенной в огромном выходном конденсаторе $ C_ф $. Схема «ждет» следующего тактового импульса системы управления.
В момент $ t_4 $ включается вторая пара тиристоров (VT3, VT4), и процесс повторяется с обратной полярностью конденсатора.

5. Математическая модель и Характеристики

Главная особенность данного преобразователя описывается уравнением энергетического баланса. Поскольку за один цикл мы передаем строго определенную порцию энергии $ W $, зависящую от емкости $ C_k $, мощность $ P $ равна:
\[ P = W \cdot f \]
где $ f $ — частота следования импульсов.

Для идеализированной схемы без учета потерь среднее значение выходного напряжения $ U_{вых} $ можно вывести из условия равенства входной и выходной энергии. В итоге мы приходим к простой и изящной формуле (5.33):

U_{вых} = E \cdot R_н \cdot C_k \cdot f

Где:

$ E $ — Напряжение источника питания (В);
$ R_н $ — Сопротивление нагрузки (Ом);
$ C_k $ — Емкость дозирующего конденсатора (Ф);
$ f $ — Частота коммутации (Гц).

Анализ формулы:

Мы видим линейную зависимость выходного напряжения от частоты $ f $. Это открывает широкие возможности для регулирования. Система управления, меняя частоту импульсов (ЧИМ — частотно-импульсная модуляция), может стабилизировать ток или напряжение.

Внешняя характеристика при фиксированной частоте имеет гиперболический вид (свойство источника мощности). При $ R_н \to 0 $ (короткое замыкание), напряжение падает, но ток остается ограниченным физическими параметрами $ L-C $ контура.

6. Сравнение топологий

Для наглядности сравним рассмотренную схему с классическим ШИМ-преобразователем.

Параметр сравнения	Классический ШИМ (Buck/Boost)	Регулятор с дозированной передачей (ТКР)
Характер передачи энергии	Непрерывный поток	Дискретные порции (кванты)
Внешняя характеристика	Жесткая (Источник напряжения)	Мягкая (Источник мощности)
Реакция на КЗ	Требует быстрой электронной защиты	Аппаратно защищен (не боится КЗ)
Способ регулирования	ШИМ (изменение скважности)	ЧИМ (изменение частоты)
Коммутация ключей	Жесткая (высокие потери)	Мягкая (резонансная, малые потери)
Диапазон напряжений	Ограничен классом транзисторов	Очень высокий (доступны ВВ тиристоры)

7. Преимущества и Недостатки

Преимущества:

Высокая живучесть: Схема не боится коротких замыканий нагрузки, что идеально для электродуговых технологий и пуска двигателей.
Простота управления тиристорами: Естественная коммутация за счет колебательного контура устраняет необходимость в сложных драйверах принудительного запирания.
Отсутствие сквозных токов: Алгоритм работы исключает одновременное открытие стоек моста в аварийном режиме.
Минимум помех: Резонансная коммутация (переключение при нуле тока) генерирует значительно меньше электромагнитных помех (EMI), чем жесткий ШИМ.

Недостатки:

Повышенная пульсация: Режим прерывистого тока требует установки емких выходных фильтров $ C_ф $ для сглаживания напряжения.
Габариты реактивных элементов: Дозирующий конденсатор $ C_k $ и дроссель $ L $ работают на полной мощности установки и имеют значительные размеры и вес.
Ограничение частоты: Тиристоры — относительно медленные приборы. Рабочие частоты обычно ограничены диапазоном 1-10 кГц, что увеличивает габариты магнитных элементов по сравнению с современными MOSFET-инверторами (100+ кГц).

8. Практический пример: Инженерный расчет источника питания

Выполним расчет основных параметров силовой части тиристорно-конденсаторного регулятора.

Задача: Спроектировать источник питания для установки электрохимической очистки (гальваника). Технологический процесс требует поддержания стабильного тока, но для упрощения примера рассчитаем режим для эквивалентной резистивной нагрузки.

Исходные данные для проектирования:

Входное напряжение (выпрямленная сеть): $ E = 300 $ В.
Требуемое напряжение на нагрузке: $ U_{н} = 60 $ В.
Сопротивление нагрузки: $ R_{н} = 2 $ Ом (мощная низковольтная нагрузка).
Рабочая частота преобразования: $ f = 2000 $ Гц (2 кГц).

Цель: Найти емкость дозирующего конденсатора $ C_k $ и индуктивность резонансного дросселя $ L $.

Шаг 1: Расчет дозирующей емкости $ C_k $

Вспомним физический смысл работы устройства: мощность в нагрузку передается порциями. Средняя мощность на выходе $ P_{вых} $ равна энергии одной порции $ W $, умноженной на частоту $ f $.

Мощность на нагрузке также равна $ U_{н}^2 / R_{н} $.

Для схемы с дозированной передачей энергии зависимость выходного напряжения от параметров схемы описывается фундаментальным соотношением баланса мощностей:

U_{н} = E \cdot R_{н} \cdot C_k \cdot f

Из этого выражения выразим искомую емкость дозирующего конденсатора:

C_k = \frac{U_{н}}{E \cdot R_{н} \cdot f}

Подставим числовые значения:

C_k = \frac{60}{300 \cdot 2 \cdot 2000} = \frac{60}{1\,200\,000} = 50 \cdot 10^{-6} \text{ Ф} = 50 \text{ мкФ}

Шаг 2: Проверка энергетических режимов

Рассчитаем мощность, передаваемую в нагрузку, чтобы убедиться в адекватности выбранных компонентов:
\[ P_{вых} = \frac{U_{н}^2}{R_{н}} = \frac{60^2}{2} = \frac{3600}{2} = 1800 \text{ Вт} \]
Ток нагрузки:
\[ I_{н} = \frac{U_{н}}{R_{н}} = \frac{60}{2} = 30 \text{ А} \]
Конденсатор $ C_k $ емкостью 50 мкФ должен быть рассчитан на значительные реактивные токи. Выбираем полипропиленовые конденсаторы (типа К78-2 или импортные CBB/MKP), способные работать в импульсных режимах.

Шаг 3: Расчет резонансного дросселя $ L $

Это критически важный этап. Нам нужно выбрать индуктивность так, чтобы процесс перезаряда конденсатора успевал завершиться до начала следующего такта, и при этом скорость нарастания тока $ di/dt $ не превышала допустимую для тиристоров.

Длительность импульса перезаряда $ t_{имп} $ в $ L-C $ контуре равна половине периода собственных колебаний:

t_{имп} = \pi \sqrt{L \cdot C_k}

Для надежной работы в режиме прерывистого тока длительность импульса должна быть меньше половины периода рабочей частоты $ T/2 $.

Период рабочей частоты: $ T = 1/f = 1/2000 = 500 \text{ мкс} $.

Половина периода: $ 250 \text{ мкс} $.

Зададимся запасом по времени для надежного запирания тиристоров (время выключения $ t_q $). Пусть длительность импульса $ t_{имп} $ составляет примерно $ 100 \text{ мкс} $ (это оставляет 150 мкс паузы, что более чем достаточно для любых тиристоров).

Выразим $ L $ из формулы длительности импульса:

L = \frac{(t_{имп})^2}{\pi^2 \cdot C_k}

Подставляем значения ($ t_{имп} = 100 \cdot 10^{-6} $ с):

L = \frac{(10^{-4})^2}{3.14^2 \cdot 50 \cdot 10^{-6}} \approx \frac{10^{-8}}{9.86 \cdot 50 \cdot 10^{-6}} \approx \frac{10^{-8}}{493 \cdot 10^{-6}} \approx 20.2 \cdot 10^{-6} \text{ Гн} \approx 20 \text{ мкГн}

Шаг 4: Выбор тиристоров по напряжению

Внимание! В схемах с резонансной раскачкой напряжение на элементах может превышать напряжение питания.

Максимальное напряжение на конденсаторе $ C_k $ (и, соответственно, на закрытых тиристорах в пике) достигает суммы входного и выходного напряжений:
\[ U_{max} = E + U_{н} = 300 + 60 = 360 \text{ В} \]
С учетом возможных выбросов и коэффициента запаса $ k_з = 2 $ (стандарт для силовой электроники), выбираем тиристоры с классом напряжения не ниже 8 (800 В) или 10 (1000 В).

Итоговая спецификация силовой части:

Компонент	Расчетное значение	Рекомендация
Конденсатор $ C_k $	50 мкФ	Набор из 5-10 шт. полипропиленовых конденсаторов параллельно для снижения ESR. Рабочее напряжение > 600В.
Дроссель $ L $	20 мкГн	Воздушный сердечник или порошковое железо (распределенный зазор), рассчитанный на импульсный ток ~100-150 А.
Тиристоры	$ U_{обр} > 360 $ В, $ I_{ср} > 15 $ А	Промышленные тиристоры класса 800В / 50А (например, Т142-50-8).

9. Интересные факты о тиристорных системах

Энергетическое квантование.
Принцип дозированной передачи энергии роднит эти огромные промышленные установки с квантовой физикой. Энергия передается не непрерывным потоком, а дискретными порциями (квантами), размер которых жестко задан емкостью конденсатора. Это позволяет точно подсчитывать переданную энергию простым подсчетом количества импульсов.
Неубиваемость при КЗ.
Это единственный класс преобразователей, который «любит» короткие замыкания. Если в обычной розетке КЗ вызывает искры и пожар, то здесь преобразователь просто переходит в режим стабилизации тока. При КЗ нагрузка просто перестает принимать энергию, а схема продолжает работать в штатном, безопасном режиме без перегрева.
Тишина обманчива.
Хотя электрически эти схемы работают великолепно, акустически они могут быть очень шумными. Резонансный дроссель и конденсаторы при работе на частотах 1-5 кГц могут издавать пронзительный свист из-за магнитострикции и пьезоэффекта. Инженерам приходится заливать компоненты компаундом для звукоизоляции.
Мягкая коммутация (ZCS).
Тиристоры в таких схемах работают в «райских» условиях. Благодаря колебательному контуру ток через тиристор спадает до нуля естественным образом перед тем, как он закроется. Это называется режимом ZCS (Zero Current Switching), что сводит потери на переключение практически к нулю, позволяя приборам оставаться холодными даже при огромных мощностях.
Наследие «Рельсотронов».
Технологии дозированной передачи энергии пришли в гражданскую промышленность из военной сферы и физики высоких энергий. Именно по схожим принципам строятся системы накачки боевых лазеров и электромагнитных пушек (рельсотронов), где нужно мгновенно вкачать колоссальную энергию в снаряд или импульсную лампу.
Конденсаторный парадокс.
В обычных схемах конденсаторы сглаживают пульсации, но здесь дозирующий конденсатор $ C_k $ испытывает колоссальные нагрузки, перезаряжаясь полностью тысячи раз в секунду. Обычный электролит взорвался бы мгновенно. Используются только специальные полипропиленовые конденсаторы с способностью выдерживать реактивную мощность в десятки кВАр.
Рекордсмены напряжения.
Современные высоковольтные тиристорные регуляторы с дозированной передачей могут работать на напряжениях выше 10 000 Вольт без последовательного соединения множества транзисторов, что делает их незаменимыми в установках очистки дымовых газов (электрофильтрах) на ТЭЦ.

10. Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Почему используются устаревшие тиристоры, а не современные IGBT транзисторы?

Тиристоры не устарели, они заняли свою нишу сверхмощных приложений. В схемах с дозированной передачей энергии (резонансных) главный недостаток тиристора — сложность выключения — устраняется сам собой. При этом тиристор дешевле, надежнее при перегрузках и выдерживает токи КЗ, которые мгновенно уничтожили бы кристалл IGBT транзистора.

Можно ли использовать эту схему как обычный лабораторный блок питания?

Нет, это специфическое устройство. Из-за огромных пульсаций на дозирующем конденсаторе и специфики работы (прерывистый ток), на выходе требуется очень большой фильтр. Кроме того, «мягкая» характеристика означает, что напряжение будет сильно «проседать» под нагрузкой, если не использовать сложную систему стабилизации частоты. Это решение для насосов, сварки, гальваники, но не для питания точной электроники.

Что произойдет, если убрать диод, отделяющий нагрузку?

Схема перестанет работать как дозатор. Диод VD играет роль обратного клапана. Без него конденсатор $ C_k $ и нагрузка оказались бы связаны напрямую во время заряда, что нарушило бы резонансный процесс накопления энергии. Конденсатор просто не смог бы зарядиться до удвоенного напряжения питания.

Как регулируется выходная мощность в таком регуляторе?

Исключительно частотой импульсов (ЧИМ — частотно-импульсная модуляция). Поскольку энергия одного импульса фиксирована ($ W = C_k \cdot U^2 / 2 $), чтобы увеличить мощность в 2 раза, нужно «выстреливать» эти импульсы в 2 раза чаще. Это отличается от ШИМ, где меняется ширина импульса.

Почему нельзя поставить электролитические конденсаторы в качестве дозирующих?

Электролитические конденсаторы полярны и имеют высокое внутреннее сопротивление (ESR). В этой схеме конденсатор $ C_k $ перезаряжается переменным током с большой амплитудой и высокой частотой. Электролит закипит и взорвется за секунды. Необходимы неполярные пленочные (MKP/CBB) конденсаторы, рассчитанные на большие импульсные токи.

Заключение

Тиристорно-конденсаторные регуляторы с дозированной передачей энергии в нагрузку занимают важную нишу в промышленной электронике. Несмотря на кажущуюся архаичность использования тиристоров, принцип «квантования» энергии обеспечивает непревзойденную надежность в тяжелых условиях эксплуатации.

Их способность формировать мягкие внешние характеристики без использования сложной обратной связи делает их незаменимыми в зарядных устройствах накопителей энергии, питания лазеров и электротехнологических установок. Понимание физики работы этих устройств — обязательный навык для разработчика силовой преобразовательной техники.

Нормативная база

ГОСТ IEC 60146-1-1-2011 «Полупроводниковые преобразователи. Общие требования и линейные коммутируемые преобразователи».
ГОСТ Р 52931-2008 «Приборы контроля и регулирования технологических процессов. Общие технические условия».
ГОСТ 12.2.007.0-75 «Система стандартов безопасности труда. Изделия электротехнические. Общие требования безопасности».

Список литературы:

Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники: Учебник. – Новосибирск: Изд-во НГТУ.
Розанов Ю.К. Силовая электроника. – М.: МЭИ.
Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника. – М.: Техносфера.

Тиристорно-конденсаторные регуляторы с дозированной передачей энергии: Схемы, Теория и Расчет