Тиристорные IU (CC/CV) зарядные устройства.

[Guest Elmis]

    Тему создал, чтобы пообщаться и обмениваться опытом с людьми, которые собирали тиристорные IU (CC/CV)  зарядные устройства, и для тех, кого это интересует. Простые крутилки чего-то там отдельно взятого (мощности, напряжения или даже тока), здесь обсуждать не будем - информации по таким управляемым выпрямителям более чем достаточно. Недостатки, связанные с низким коэффициентом мощности тиристорных ЗУ всем известны, и их тоже обсуждать не будем. 

Скептикам - просьба сперва ознакомится с довольно свежими патентами (на зарядные устройства), в которых предлагается совмещать технологии 60-х и нынешних годов. Например, патент  US9643503  “HYBRID BATTERY CHARGER”.  В патенте всё гладко изложено и выглядит достоверно, однако имеются “подводные камни” и чувствуются слабые знания истории тиристорных блоков питания, и конкретно – занижен КПД (на 10%!). Коэффициент полезного действия (70%) для тиристорных БП в справочниках типа “DC POWER SUPPLY HANDBOOK” приводится для выпрямителей с резистивно-ёмкостной нагрузкой. Однако в журнале “Electronics-World”(1971-10), автор статьи “SCR Power Supplies”(GEOFFREY F. WALKER/Hewlett-Packard Co.) пишет про КПД 80-90% и рисует совершенно другую схему выпрямителя с LC фильтром. Придираться к мнению автора патента  US9643503, что линейные БП имеют КПД всего 75%, не будем, а выясним, для чего придуман алгоритм  IU (CC/CV) и чем он полезен.

 

     На сайте ООО "СвязьЭнергоСервис" про алгоритм IU (CC/CV) пишут: «Такой алгоритм заряда сводит к минимуму процесс сульфатации, исключает перезаряд и позволяет зарядить аккумулятор до 100 % емкости. При этом можно не отключать длительное время аккумулятор от зарядного устройства, поддерживая его в постоянной готовности к работе. В качестве недостатков следует отнести более продолжительное время заряда и более высокую цену зарядного устройства». Ну что тут сказать мне, как радиолюбителю, который к тому же многие годы до работы добирался на легковушке - всё так, за исключением: “более высокая цена ЗУ”. Для радиолюбителя десяток резисторов и пара компараторов вообще ничего не стоят, а для автолюбителя ЗУ, которое может не только зарядить старенький аккумулятор, но и помочь завести средство передвижения при морозах (близких к -30°C), вещь вообще бесценная.

 

     Четверть века назад для себя я собрал вот такое IU (CC/CV) зарядное устройство.

 Снимок сделан более 10-и лет назад и теперь ЗУ выгладит чуток не так – на кожухе видны следы ржавчины, а “крокодилы” надо менять. 

 

    Увидеть упрощенную блок-схему почти моего ЗУ и прочитать описание работы подобных устройств можно в журнале “Electronics-World”(1971-10).

 

    Пережило моё изделие лишь одну доработку в первый же год рождения – замену двух тиристоров типа КУ202Н на тиристорный модуль ТТ25F-1100KEM (50 амперные).

ЗУ собрано в корпусе от осциллографа ЛО-70, туда вместился полностью перемотанный (на мощность около 500ВА) трансформатор ТС-270 и небольшая платка управления, и остальная мелочь. Работает по изначально заложенному IU алгоритму с ручным выставлением значений тока и напряжения по встроенным приборам.

    Некоторые параметры ЗУ:

*При напряжении на входе ~230В и на выходе 14,7В, без нагрузки, общий ток “холостого хода” двух трансформаторов около 15мА (амперметр при определении этого тока был включен в цепь шнура питания). Второй, малюсенький трансформатор, устанавливается на плате управления и используется для питания платы управления и синхронизации с электросетью.

*Регулировка выходного напряжения – от десятых вольта до 16В.

*Регулировка выходного тока – от десятых ампера до 20А. 10А – режим продолжительный, 20А – кратковременный, не более 2 часов (слишком маленький радиатор для диодного моста).

*Точность поддержания тока или напряжения не хуже ±1%, в диапазоне температур от -30°C до +25°C.

*Ток КЗ – не более +10% тока зарядки.

   Выходной ток при резкой нагрузке ограничен лишь внешними сопротивлениями промышленной электросети и соединительных проводов с АКБ, плюс внутренним сопротивлением самого ЗУ. Время такого неуправляемого режима работы кратковременное, определено свойствами интегрирующих цепей в обратной связи в ЗУ, и на практике оказалось, что этого вполне достаточно при запуске  исправного автомобильного (1,6л.) бензинного двигателя от практически мёртвого (8-и летнего 45Ач) аккумулятора, которым стартер вообще не прокручивается. (На морозе -30°C крутит как летом с новым АКБ, при этом в гараже лампы накаливания мерцают так, как будто сваркой работаешь.)

*Пуск силового трансформатора ЗУ, подключенного к АКБ, плавный (в момент амплитудного значения напряжения в сети).

*Зарядный ток, при включении устройства, на АКБ подаётся плавно, с кратковременным и незначительным превышением установленного.

*Зарядный ток – импульсы с крутыми передними фронтами и изменяющеюся скважностью.

*Силовой трансформатор защищён, в случае выхода из строя выпрямителя (КЗ диодов или моста), посредством применения трансформатора тока, установленного до выпрямителя.

 

     Платки управления, которыми в 2013.г. проводил эксперименты, сможет спаять даже школьник, а вот, чтобы собирать такое ЗУ, школьник должен иметь допуск по электробезопасности до 1000 Вольт. Поэтому для школьников могу предложить немножко другую схему IU ЗУ с управляемым выпрямителем во вторичной цепи трансформатора – только тиристор, способный выдержать токи при запуске двигателя (если этого позволяет трансформатор), придётся поискать. Такое ЗУ я собрал в 2013.г. для маленького автосервиса. Там им пользуются так часто, что уже провода к АКБ поменяли. Такое ЗУ с электронной защитой от КЗ и переполюсовки не отказывается заряжать АКБ с напряжением на клеммах 1В и АКБ, которые поначалу “не берут ток”, и которых, по словам автоэлектрика, какие-то там навороченные современные ЗУ или вообще отказываются заряжать или через пару минут сообщают, что батарея заряжена.   

      По традиции прошлого столетия – без ошибок, из исправных деталей собранное зарядное устройство работает сразу и требует, в основном, только калибровки амперметра.  

 

    Если имеются вопросы или пожелания увидеть схемы, печатные платы, спрашивайте. Если у Вас имеются проверенные на практике схемы тиристорных ЗУ, работающих по алгоритму  IU, просьба – поделитесь! Мои схемы выглядят сложными, но схему, с тиристором на входе, собрали в течение дня с момента пересылки печатного рисунка и уточнения что куда впаять. Вопросы когда-то были только про самодельный трансформатор тока и калибровку амперметра – схема применялась при выходном напряжении около 4В и стабилизированном токе 80А в нагрузку, используя параллельно включенные трансформаторы.  

 

Схемы пока не прилагаю по двум причинам:

1. Не знаю – нужны ли вообще кому-то подобные конструкции ? Подавляющее большинство играются симуляторами и практически ничего из этого не воплощают в «железе».
2.  Выросло новое поколение, которое отучено думать своей головой и которое, услышав “тиристор в первичке” сразу, и даже толпой, набрасывается фразами, типа “от такого включения трансформатор сойдёт с ума”, сгорит, и прочую ересь. Их не переубедит даже присутствие четверть века прожившего ЗУ. Да, проблемы там есть, и чем мощнее трасформатор и выше требования к безупречной работе, тем интереснее их преодолевать.

[Evgeniy 259]

К тиристорам в первичной обмотке трансформатора отношусь спокойно, тем более этот способ управления применяется в промышленности! Например в СВЧ печах, где тиристорами в первичке повышающего трансформатора регулируют высокое напряжение (0-50кВ). На электронно-лучевых печах и в СВЧ печах ток накала, который достигает 100 и более ампер, регулируют аналогично (тиристорный регулятор напряжения+трансформатор). Так что эта технология применяется повсеместно на производстве!

Была идея создания такого зарядного устройства, вот только с управлением от микроконтроллера. Такая идея всплывает, как правило, когда срок службы аккумулятора в автомобиле подходит к концу. После замены аккумулятора мысли о создании покидают голову ещё года на 3-4.

[Guest Elmis]

            Продолжу начатую тему с варианта ЗУ IU (CC/CV) с тиристором на выходе (для школьников).

     Блок-схема выглядит так:  

    Никому не навязываю делать именно так, а лишь предлагаю как вариант самостоятельного изготовления тиристорного ЗУ работающего по алгоритму  IU (CC/CV). Схема не связанна с промышленной электросетью и подойдёт для освоения простейших тиристорных импульсных схем.

 

     Схема электрическая принципиальная (в радиолюбительском исполнении):

В качестве регулирующего ключевого элемента можно ставить не только тиристор (ы), но и симистор (ы) или даже полевой транзистор с п-каналом соответствующих параметров. 

 Для тех, кому это покажется слишком сложно, можете попробовать воплотить в «железе» схему на первый взгляд более простую – патент US3586955. В патенте применено фазосдвигающее устройство тангенциального типа, в моей схеме – вертикального типа.

 

     Плата управления размером 50*80мм и размещение элементов:

Необязательно начинать с устройств, рассчитанных на токи 5-20А или более мощных – в хозяйстве применение найдут и слабо-токовые 1-3А изделия. Также схему можно применить для усовершенствования многих ЗУ Советских времен, не имеющих IU (CC/CV) алгоритма, например, ВА-2. Тут важно понять, что зарядка стареньких свинцово-кислотных АКБ отличается тем, что этап стабилизированного тока для них сокращён (ёмкость А*ч уменьшилось) и продолжительное время ЗУ работает в режиме стабилизированного напряжения (при нынешних ценах на электроэнергию немаловажно сколько потр######ет слабонагруженное ЗУ), также при зарядке стареньких АКБ возможно закорачивание одной или пару банок, что обычно приводит оставленное без присмотра ЗУ, не имеющее стабилизации по току, в непригодность (сгорает силовой трансформатор).   

 

     Основные параметры ЗУ.

ЗУ может использоваться при температурах от  -40°С (при установки на печатную плату всех элементов с допустимой рабочей температурой от -40°С, например: L7812, LM2904, LM2903).

ЗУ имеет плавный пуск зарядного тока как при соблюдении порядка подключения к АКБ (сначала ЗУ к АКБ, потом питание ЗУ), так и при восстановлении напряжения сети после нештатной ситуации.

ЗУ имеет защиту от закорачивания выходных клемм и в таком состоянии может находиться неограниченное время.

ЗУ имеет защиту от переполюсовки.

Зарядный ток ЗУ стабилизирован по средневыпрямленному значению тока.

Выходное напряжение ЗУ стабилизировано по средневыпрямленному значению.

Охлаждение –  естественное, потоком окружающего воздуха.

Зарядный ток – (импульсы с изменяющеюся скважностью) от возможностей силового трансформатора. Номинальный ток для каждого отдельного ЗУ, изготовленного с применением разных трансформаторов, должен пройти проверку на соответствие согласно стандарту ГОСТ IEC 60335-2-29— 2012.

Входное напряжение – номинальное 230В (+/-10%) – при больших отклонениях потребуется пересчёт всего силового трансформатора.

Амперметр ЗУ защищён от превышения тока большего, чем оговорено в ГОСТ 8711-93, если ЗУ используется при запуске двигателя как дополнительный источник тока, при этом ЗУ кратковременно (на пару секунд) переходит в режим ограничения тока только внутренним сопротивлением зарядного устройства и внешними сопротивлениями промышленной электросети и соединительных проводов с АКБ.

ЗУ обеспечивает контролируемый заряд АКБ током меньшим, чем ток удержания тиристоров.

ЗУ не имеет прямой (датчика температуры АКБ) температурной компенсации, как и подавляющее большинство современных многорежимных устройств.

В ЗУ не предусмотрен режим “десульфатация током ассиметричной формы” – десульфатизация ассиметричным током, по мнению специалистов, является мифом, начавшимся с 60-ых прошлого века – материал для чтения - “Negative Pulse Charging - Myths and Facts”.

ЗУ после включения в сеть переходит в режим IU зарядки, если на клеммах АКБ не менее 1В.

 

Если кого-то эта тема  интересует, могу продолжить с более подробным описанием назначения большинства элементов – что, для чего и почему так.