Témakör:
Teljesítményelektronikai ötletek – 26
Megjelent: 2013. július 22.
Robert sorozatának most következő folytatása a nagyáramú tápegységek egyik kézenfekvő megoldására, a tápegységek párhuzamos kapcsolására mutat egyszerű és hatékony módszert.
Tápegységek párhuzamos kapcsolása feszültségeséses módszerrel
Sorozatunk jelen folytatásában egyszerű módszert mutatunk be a tápegységek párhuzamos kapcsolására. Néhány fontos követelményünk ezzel kapcsolatban:
-
az alkalmazott áramkör ne jelentsen járulékos hibaforrásokat,
-
az előző pontból következően ne legyen vezető–alárendelt (master–slave) szereposztás a párhuzamosan kapcsolt tápegységek között,
-
minimális többlethuzalozást igényeljen,
-
ne hasson kedvezőtlenül a hatásfokra,
-
jó feszültségszabályozást tegyen lehetővé, és végül
-
tartsa meg a gyors terhelésváltozásokra való gyors reagálás képességét.
A feszültségeséses[1] (droop) módszer egyszerű eszközökkel teszi lehetővé, hogy a fenti követelmények nagyobb részének eleget tehessünk. A módszer működése azon alapul, hogy a tápegység kimeneti feszültsége csökken a növekvő terhelőárammal. Amint az 1. ábrán is látható, a párhuzamosan kapcsolt tápegységek – a kimeneti feszültség–terhelőáram karakterisztikájuk miatt – hajlamosak arra, hogy kimeneti áramaik egyenlő értékre álljanak be. Az ábra három tápegység kimeneti feszültségét tünteti fel a terhelőáram függvényében. Az alkatrész-toleranciák következtében a három tápegység kimenőfeszültség–terhelőáram karakterisztikája kismértékben eltér. Egy adott terhelőáramnál a vízszintes vonal jelzi a három párhuzamosan kapcsolt tápegység közös kimenőfeszültségét. Karakterisztikáiknak a közös kimenőfeszültség vonalával alkotott metszetei mutatják az egyes tápegységek kimeneti áramait a névleges áramterhelésre vonatkoztatott relatív értékben.
A módszer magától értetődően csökkenti az egész rendszerre vonatkoztatott feszültségszabályozás minőségét.
Létezik egy kompromisszum arra nézve, hogy mennyire jó az árammegosztás, illetve a feszültségszabályozás mértéke. Az első lépés ennek megtalálásához az, hogy meg kell határoznunk a tápegységek toleranciáit, azaz azt az értéket, hogy milyen messze esik a legrosszabb esetre vonatkozó kalkuláció a névlegestől[2]. Ennek fontos összetevői a referenciafesztültség hőmérsékletfüggése és a feszültségosztó toleranciája [1]. Ez egyfelől hatást gyakorol annak pontosságára, hogy mennyire jól tudjuk megközelíteni a kimeneti feszültség beálllításával a névleges értéket, másfelől viszont nem befolyásolja az árameloszlást a tápegységek között. Ezért aztán kiválaszthatja bármelyik tápegység görbéjét vagy a névlegestől való megengedett eltérés nagyságát, a többi ennek alapján számítható. Feltéve, hogy a kimeneti feszültségnek a terheléstől való függése nagyjából állandó, az összefüggést nagyon egyszerű képlet írja le:
ahol:
-
FBP az egyes tápegységek kimeneti feszültségének beállítási pontossága a névleges értékhez viszonyítva, százalékban
-
FE a kimeneti feszültség esése a terheletlen állapottól a maximális terhelésig, százalékban
-
TM terhelési maximum, azaz annak kifejezése, hány százalékig van maximálisan terhelve a tápegység
A számítást elvégezve láthatóvá válik e módszer gyenge pontja: extrém nagy pontosságot igényel a kimeneti feszültség beállításánál, ugyanakkor jelentős feszültségcsökkenésnek kell teljesülnie a terhelés hatására ahhoz, hogy megfelelő árameloszlás jöhessen létre. Például, ahogy az 1. ábrán is látható, 3,5% feszültségbeállítási tolerancia és 20%-os feszültségesés kell ahhoz, hogy 35%-on belül legyen az eltérés a tápegységek áramai között. Ekkora feszültségesés elfogadható a nagyfeszültségű rendszerekben, de a kisfeszültségű tápegységekben semmiképpen sem.
1.ábra A párhuzamosan kapcsolt tápegységek terhelés hatására csökkenő kimenőfeszültsége lehetővé teszi a terhelőáram megosztását
Az első gondolatunk az lehet, hogy a megfelelő mértékű feszültségesést a kimenetekkel sorosan kapcsolt, nagy értékű ellenállásokkal növeljük meg a szükséges értékre. Ez viszont csak addig tűnik jó ötletnek, amíg a kimeneti feszültség toleranciáját és a beiktatott soros ellenállásokon keletkező veszteséget nem vesszük figyelembe. Az előző példánkban a kimeneti teljesítmény 20%-át veszítenénk el az ellenállások miatt – ezt az ötletet tehát elvethetjük. A következő gondolat az lehetne, hogy mérjük a tápegységek kimeneti áramait, erősítsük fel az így keletkezett jelet, és használjuk arra, hogy a szükséges mértékben megváltoztassuk vele a kimeneti feszültséget beállító áramkört. Ez az ötlet működik is, ha feszültség-üzemmódú tápegységeket használunk, de áramüzemmódban még ennél is sokkal egyszerűbb megoldás adódik. A szabályozóhurok DC-erősítésének korlátozásával egy „virtuális ellenállást” hozunk létre. A függelék bemutatja azt az egyszerű számítást, amely a 2. ábrán látható rendszer kimeneti impedanciáját határozza meg. Az eredmény: a rendszer kimeneti impedanciája a kompenzálóhálózat és a teljesítményfokozat erősítése szorzatának negatív reciproka.
2.ábra A párhuzamos kapcsoláshoz szükséges feszültségesés könnyen megvalósítható áram üzemmódú szabályozással rendelkező tápegységeknél
Függelék: A kimeneti feszültségesés levezetése áram-üzemmódban (lásd. 2. ábra)
A legtöbb tápegység kompenzálóhálózata tartalmaz egy integrátort, amely miatt annak DC-erősítése nagyon nagy értékű. Ha ezt a DC-erősítést egy jól meghatározott értékre korlátozzuk, a kívánt feszültségesés értéke megvalósítható. Ezt rendkívül egyszerű kivitelezni: csak egy ellenállást kell a hibaerősítő be- és kimenete közé kapcsolni.
Következő folytatásunkban a tápegységek üzem közbeni cseréjét, vezérlő áramkörök működését vizsgáljuk.
Hivatkozás
Kollman, R.: Teljesítményelektronikai ötletek – 17. A feszültségszabályozó kimenőfeszültsége pontosabb, mint gondolhatnánk. Magyar Elektronika 2012/9. 64. oldal.
Az eredeti szöveg a „droop” kifejezést alkalmazza, amely arra utal, hogy a terhelés növekedésével csökken a tápegység kimeneti feszültsége (pozitív a kimeneti ellenállása). A „droop” szó szakszerű magyar fordítására nem találtam irodalmi példát, a „feszültségesés” szóval fordítottam, tekintettel arra, hogy a mértéke pontosan egyenlő a tápegység kimenetének Thėvenin-helyettesítőképében található soros generátor-ellenálláson a terhelőáram hatására eső feszültséggel. A „droop” szó jelentése a szöveg további részéből egyébként világosan kiderül. – A ford. megj.
A szerző nem jelenti ki nyíltan, hogy a párhuzamosan kapcsolt tápegységek azonos műszaki felépítésűek. Ez elvileg nem is feltétele a további megfontolások értelmezésének, de egyszerűbb „beleélni magunkat” egy olyan szituációba, ha három egyforma tápegységet és ezek között bizonyos alkatrész eredetű szórást tételezünk fel. – A szerk. megj.
A cikksorozat korábbi részei: