Балансування напруги модульного накопичувача енергії джерела живлення для контактного мікрозварювання
Запропоновано схемне рішення для балансування напруги модульного накопичувача енергії на основі суперконденсаторів джерела живлення для контактного мікрозварювання. Наведено формули для розрахунку вузлів керування окремої комірки суперконденсаторного модуля. Проведено моделювання роботи схеми баланс...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Технология и конструирование в электронной аппаратуре |
|---|---|
| Дата: | 2017 |
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України
2017
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/130096 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Балансування напруги модульного накопичувача енергії джерела живлення для контактного мікрозварювання / Ю.В. Кожушко, О.Ф. Бондаренко // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2017. — № 4-5. — С. 15-23. — Бібліогр.: 10 назв. — укр. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860185497497763840 |
|---|---|
| author | Кожушко, Ю.В. Бондаренко, О.Ф. |
| author_facet | Кожушко, Ю.В. Бондаренко, О.Ф. |
| citation_txt | Балансування напруги модульного накопичувача енергії джерела живлення для контактного мікрозварювання / Ю.В. Кожушко, О.Ф. Бондаренко // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2017. — № 4-5. — С. 15-23. — Бібліогр.: 10 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Технология и конструирование в электронной аппаратуре |
| description | Запропоновано схемне рішення для балансування напруги модульного накопичувача енергії на основі суперконденсаторів джерела живлення для контактного мікрозварювання. Наведено формули для розрахунку вузлів керування окремої комірки суперконденсаторного модуля. Проведено моделювання роботи схеми балансування напруги модуля та отримано часові діаграми процесу заряду суперконденсатора. Підтверджено працездатність та ефективність запропонованого рішення.
Предложено схемное решение для балансировки напряжения модульного накопителя энергии на основе суперконденсаторов источника питания для контактной микросварки. Приведены формулы для расчета узлов управления отдельной ячейки суперконденсаторного модуля. Проведено моделирование работы схемы балансировки напряжения модуля и получены временные диаграммы процесса заряда суперконденсатора. Подтверждены работоспособность и эффективность предложенного решения.
Micro resistance welding is one of the most effective ways to obtain permanent joints of metal parts. The quality of welded joints strongly depends on the characteristics of the power supply of welding equipment. The power supplies for micro resistance welding based on Energy Storage topology have a softer impact on the network than the ones based on Direct Energy topology. The use of supercapacitors for Energy Storage type power supplies makes it possible to reduce the dimensions of welding equipment and to improve its technical parameters. However, the feature of the supercapacitors is low value of the nominal voltage, which usually does not exceed 3 V. To provide higher voltage, the modules of supercapacitors connected in series are designed. In order to extend the life time of such modules, a voltage balancing system is required. A circuit for balancing the voltage of a modular supercapacitor energy storage of a power supply for micro resistance welding is proposed. The fragments of calculation of control units of a supercapacitor module cell are given. The simulation of the balancing circuit operation is carried out and time charts of the supercapacitor charge process are obtained. The operability and effectiveness of the proposed solution is confirmed. The advantage of the proposed circuit is the possibility of obtaining the high efficiency because of returning the excessive energy of the module cell back into the power supply.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:04:05Z |
| format | Article |
| fulltext |
Òåõíîëîãіÿ і êîíñòðóюваííÿ в åëåêòðîííіé аïаðаòóðі, 2017, ¹ 4–5
15
ЕÍЕÐÃЕÒÈЧÍА ЕËЕÊÒÐÎÍІÊА
ISSN 2225-5818
ÓÄÊ 621.314: 621.311.6
Ю. В. КОЖУШКО, к. т. н. О. Ф. БОНДАРЕНКО
Óкраїна, Національний технічний університет Óкраїни
«Êиївський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»
E-mail: kozhushko_yullia@ukr.net, bondarenkoaf@gmail.com
БАЛАНСÓВАННЯ НАПРÓГИ МОÄÓЛЬНОГО
НАÊОПИЧÓВАЧА ЕНЕРГІЇ ÄЖЕРЕЛА ЖИВЛЕННЯ
ÄЛЯ ÊОНТАÊТНОГО МІÊРОЗВАРЮВАННЯ
Êонтактне зварювання на сьогодні є ефек-
тивною технологією отримання нероз'ємних
з'єднань металевих виробів та конструкцій, яке
не потребує допоміжних матеріалів та речовин
і характеризується високою продуктивні стю,
малими зварювальними деформаціями кон-
струкцій, відсутністю шкідливих викидів [1].
Характерні для контактного зварювання амплі-
туди струму знаходяться в діапазоні від сотень
ампер до одиниць кілоампер і залежать від ма-
теріалу та конфігурації зварюваних деталей.
Зварювання може здійснюватись як змінним,
так і постійним струмом, при цьому зварюван-
ню постійним струмом надається перевага при
з’єднанні деталей відповідального призначення.
Це пов’язане з тим, що джерела живлення по-
стійного струму здатні здійснювати більш точ-
не формування зварювального струму і, відпо-
відно, забезпечувати вищу якість з’єднань [2].
З точки зору енергоспоживання, контактне
зварювання має певні особливості. Енергія для
зварювання споживається імпульсами, трива-
лість яких є дуже малою на фоні пауз між ними
і може складати від одиниць до десятків мілі-
секунд [3].
Побудова джерел постійного струму для зва-
рювальних установок традиційно виконується із
застосовуванням топології з прямим споживан-
íÿм åíåðãії з мåðåжі (Direct Energy). Пðиêëад
такої топології наведений на рис. 1. Принцип її
роботи полягає в наступному. Вхідний випрям-
Запропоновано схемне рішення для балансування напруги модульного накопичувача енергії на основі
суперконденсаторів джерела живлення для контактного мікрозварювання. Наведено формули для
розрахунку вузлів керування окремої комірки суперконденсаторного модуля. Проведено моделюван-
ня роботи схеми балансування напруги модуля та отримано часові діаграми процесу заряду супер-
конденсатора. Підтверджено працездатність та ефективність запропонованого рішення.
Ключові слова: контактне мікрозварювання, накопичувач енергії, суперконденсатор, балансування
напруги, імпульсний перетворювач.
ляч із фільтром випрямляє та згладжує мере-
жеву напругу. Інвертор перетворює постійний
струм, що подається на його вхід, на змінний
з чаñòîòîю 50—100 êГц. Виñîêîчаñòîòíиé зíи-
жувальний трансформатор забезпечує форму-
вання струму в кілька сотень ампер. Вихідний
випрямляч із фільтром випрямляє та згладжує
високочастотний змінний струм. Система керу-
вання забезпечує функцію регулювання зварю-
вального струму.
Äжерела живлення зварювальної установки,
ïîбóдîваíі за òîïîëîãією Direct Energy, зазви-
чай характеризуються низькою електромагніт-
ною сумісністю з мережею, оскільки кола ко-
рекції та фільтрації не можуть повністю зніве-
лювати вплив установки на мережу.
Äля зменшення впливу на мережу бажаним є
використання для живлення зварювальних уста-
новок джерел, виконаних за топологією з про-
міжíим íаêîïичåííÿм åíåðãії (Energy Storage).
Така топологія сама по собі забезпечує кращу
електромагнітну сумісність з мережею, а також
надає більше можливостей для її поліпшення
DOI: 10.15222/TKEA2017.4-5.15
Роботу виконано за підтримки Міністерства освіти
і науки України (ДБ №0116U006924).
Рис. 1. Структурна схема джерела живлення постій-
ного струму з прямим споживанням енергії з мере-
жі (Direct Energy):
ВФ1 — вõідíиé виïðÿмëÿч із фіëьòðîм; Іíв — іíвåð-
òîð; Òð — òðаíñфîðмаòîð; ВФ2 — виõідíиé виïðÿм-
ëÿч із фіëьòðîм; СК — ñиñòåма êåðóваííÿ
Зварювальний
імпульс
Інв Тр ВФ2ВФ1
СÊ
Мережа
Òåõíîëîãіÿ і êîíñòðóюваííÿ в åëåêòðîííіé аïаðаòóðі, 2017, ¹ 4–5
16
ЕÍЕÐÃЕÒÈЧÍА ЕËЕÊÒÐÎÍІÊА
ISSN 2225-5818
шляхом застосування кіл корекції та фільтрації.
Варіант структури джерела живлення, побудо-
ваíîãî за òîïîëîãією Energy Storage, íавåдåíî
на рис. 2. Принцип роботи цієї схеми полягає
в наступному. Змінна напруга мережі живлен-
ня випрямляється вхідним випрямлячем і згла-
джується фільтром. Зворотноходовий перетво-
рювач нормалізує напругу до рівня, необхідно-
го для зарядження суперкондесаторного моду-
ля. Система керування зарядного пристрою здій-
снює керування напругою заряду, змінюючи ши-
рину високочастотних імпульсів.
Система керування розрядного перетворюва-
ча відслідковує рівень напруги на елементах на-
копичувача енергії і в момент досягнення певно-
го значення напруги дозволяє роботу розрядно-
го перетворювача. При досягненні напругою на
кожному елементі накопичувача номінального
значення блок керування зарядом дозволяє ро-
боту зворотноходового перетворювача і накопи-
чувач відключається від мережі живлення. Блок
формування зварювального імпульсу здійснює
розряд модуля за певним законом, формуючи
таким чином зварювальний імпульс.
Отже, використання топології з проміжним
накопиченням енергії дозволяє зменшити нега-
тивний вплив зварювальних установок на про-
мислову мережу живлення. Проте побудова дже-
рел живлення для установок контактного зва-
ðюваííÿ за òîïîëîãією Energy Storage щå дîíå-
давна мала невисоку розповсюдженість, оскіль-
ки передбачала застосування громіздких акуму-
ляторних батарей та електролітичних конденса-
торів для накопичення енергії, що позначалося
на масогабаритних показниках. Поява і розви-
òîê íîвîãî òиïó íаêîïичóвачів — ñóïåðêîíдåí-
ñаòîðів — здаòíі ñóòòєвî ïîêðащиòи маñîãаба-
ритні показники зварювальних установок і по-
сприяти розширенню застосування топології з
проміжним накопиченням енергії для побудови
джерел живлення установок контактного зва-
рювання [3].
Завдяки великій ємності, низькому струму
саморозрядження, широкому діапазону робо-
чих температур і тривалому терміну експлуата-
ції суперконденсатори широко застосовуються в
сучасних електронних пристроях [4]. Основним
недоліком суперконденсаторів є низьке значен-
ня номінальної напруги, яке зазвичай не пере-
вищує 3 В. Äля отримання більш значної напру-
ги створюють модулі з послідовно з’єднаних на-
копичувачів. При цьому, в процесі зарядження
за рахунок струму саморозрядження та відхи-
лень від номінальної величини ємності напру-
га на окремих суперконденсаторах модуля не є
однаковою, що може спровокувати вихід з ладу
îдíîãî абî êіëьêîõ åëåмåíòів [4—7].
Метою даної роботи є створення системи ба-
лансування напруги суперконденсаторного мо-
дуля джерела постійного струму для контактно-
го мікрозварювання.
Балансування напруги
суперконденсаторного модуля
Еквівалентна схема модуля, до складу яко-
го входять N суперконденсаторів, з колами за-
ряду та розряду зображена на рис. 3. Загальна
ємність такого модуля визначається як
1
1 2
1 1 1 ... ,
N
C
C C C
(1)
де С1, С2, … СN — ємíіñòь ñóïåðêîíдåíñаòîðів.
Êожний суперконденсатор з номінальною на-
пругою Uном має еквівалентний опір втрат. В пер-
ший момент часу всі суперконденсатори розря-
джені, ключі S1 та S2 розімкнені. При замикан-
ні ключа S1 починається процес зарядження су-
перконденсаторів від джерела електрорушійної
сили (Uвх = Uном) з вíóòðішíім îпором r. Через
суперконденсатори протікає струм Іmax, що до-
Рис. 2. Структурна схема джерела живлення постійного струму
з ïðîміжíим íаêîïичåííÿм åíåðãії (Energy Storage):
ВФ1 — вõідíиé виïðÿмëÿч із фіëьòðîм; ЗП — звîðîòíîõîдîвиé ïåðå-
òвîðювач; НЕ — íаêîïичóвач åíåðãії; РП — ðîзðÿдíиé ïåðåòвîðювач;
ВФ2 — виõідíиé виïðÿмëÿч із фіëьòðîм; СК1 — ñиñòåма êåðóваííÿ за-
ðÿдíîãî ïðиñòðîю; СК2 — ñиñòåма êåðóваííÿ ðîзðÿдíîãî ïåðåòвîðювача;
БКЗ — бëîê êåðóваííÿ заðÿдîм íаêîïичóвача åíåðãії; ФЗІ — фîðмóвач
зварювального імпульсу
Рис. 3. Еквівалентна схема мо-
дóëÿ з ñóïåðêîíдåíñаòîðами [5]
Зварювальний
імпульс
ЗП
РП
ВФ2ВФ1Мережа
СÊ1 БÊЗ СÊ2
НЕ ФЗІ
S1 S2
R1C1
Uвх Rн
RNCN
r
Òåõíîëîãіÿ і êîíñòðóюваííÿ в åëåêòðîííіé аïаðаòóðі, 2017, ¹ 4–5
17
ЕÍЕÐÃЕÒÈЧÍА ЕËЕÊÒÐÎÍІÊА
ISSN 2225-5818
рівнює відношенню вхідної напруги до внутріш-
нього опору.
По мірі збільшення накопиченого заряду на
суперконденсаторах струм зменшується за екс-
поненційним законом:
i(t) = Іmax⋅exp(t/t), (2)
стала часу, t = rC;
íîміíаëьíа ємíіñòь мîдóëÿ ñóïåðêîíдåíñаòîðів;
максимальний струм модуля.
де t —
С —
Іmax —
За рахунок неоднакового значення ємностей
суперконденсаторів величина напруги на них в
загальному випадку буде неоднаковою і визна-
чатиметься за формулою
0
1
( ) ( ) ,
t
k
k
U t i t dt
C
(3)
де Uk, Сk — íаïðóãа òа ємíіñòь k-ãî ñóïåðêîí-
денсатора відповідно.
Якщо ємність суперконденсатора є меншою за
номінальне значення, його напруга буде переви-
щóваòи íîміíаëьíå зíачåííÿ, а ÿêщî біëьшîю —
суперконденсатор не встигне зарядитись до Uном.
Аналогічне співвідношення діє для процесу
розряду модуля через замкнений ключ S2 і опір
навантаження Rн при розімкненому ключі S1.
За óмîви, щî вñі ñóïåðêîíдåíñаòîðи бóëи заðÿд-
жені до номінальної напруги, після повного роз-
рядження модуля суперконденсатори з ємні стю
C > Cном зберігають деякий позитивний заряд, а
суперконденсатори з C < Cном є íåãаòивíî заðÿд-
женими, тобто відбувається зміна полярно сті,
яка може призвести до деградації характери стик
елементів.
Отже, неоднакові значення ємності суперкон-
денсаторів у модулі обумовлюють дисбаланс на-
пруги. Äля усунення цього явища застосовують
методи активного і пасивного балансування мо-
дуля суперконденсаторів.
Суть пасивного методу полягає в паралельно-
му підключенні шунтуючих резисторів до кож-
ної комірки модуля. В результаті утворюється
резистивний дільник, який вирівнює потенціа-
ëи між îêðåмими êîміðêами [4—6]. Нåдîëіêîм
пасивного методу є те, що шунтуючі резистори
споживають енергію весь час, доки на суперкон-
денсаторах є заряд, хоча необхідність в шунту-
ванні виникає тільки при перенапрузі чи при
переполюсуванні. Цей недолік усувається мето-
дами активного балансування, зокрема за допо-
могою схеми, наведеної на рис. 4 [8].
Індуктивність первинної обмотки імпульсно-
го зворотноходового трансформатора визначає
кількість енергії, накопиченої в трансформаторі.
Обмотка трансформатора w2 служить зворотнім
зв’язком для збудження генерації імпульсів ке-
рування силовим ключем у схемі. Вторинні об-
мотки зворотного ходу w3 і w4 підключаються
до елемента модуля через діоди VD1 та VD2.
Полярність підключення обмоток і діодів обира-
ється таким чином, щоб не здійснювався вплив
на процес накопичення енергії в трансформаторі.
Після накопичення енергії первинною обмоткою
трансформатора транзистор закривається за ра-
хунок позитивного зворотного зв’язку, і на об-
мотках трансформатора змінюється полярність
напруги. Починається другий такт роботи схе-
ми, коли в первинному колі зникає струм, за ра-
хунок взаємної індукції струм з’являється одно-
часно у вторинних обмотках. Оскільки напруга
на елементах модуля є однаковою, значення па-
діння напруги на однотипних діодах теж можна
вважати однаковими.
Амплітуди струму вторинних обмоток є од-
наковими, а їх сума дорівнює амплітуді струму
первинної обмотки:
i1w1 = i3w3 + i4w4, (4)
де i1, i3, i4 — ñòðóм ó відïîвідíиõ îбмîòêаõ
трансформатора, а w1, w3, w4 — êіëьêіñòь виò-
ків в них.
За умови наявності різниці напруги на су-
перконденсаторах 0,2 В лише одна обмотка w3
приймає участь в процесі розмагнічення транс-
форматора. Рівень напруги 0,2 В відповідає на-
прузі відсічки діоду Шоткі, тому струм в діоді
VD2 відсутній. Амплітуда струму обмотки w4
дорівнює амплітуді струму вторинної обмотки,
îòжå виêîíóєòьñÿ ðівíіñòь (4), îñêіëьêи ñòðóм
в обмотці w3 дорівнює нулю. По мірі зменшен-
ня різниці напруги на суперконденсаторах,
з’являється струм в обмотці w3.
Отже, при розмагнічуванні трансформато-
ра напруга на всіх обмотках з рівною кількістю
витків є однаковою, а її значення визначається
суперконденсатором з найменшою напругою і
падінням напруги на діоді, через який протікає
струм розмагнічування трансформатора. Така
Генератор
імпульсів
VD1
w1 C1
U
C3
C2 C4
w3
w4
w2
VT1
VD2
Рис. 4. Схема активного балансування
Òåõíîëîãіÿ і êîíñòðóюваííÿ в åëåêòðîííіé аïаðаòóðі, 2017, ¹ 4–5
18
ЕÍЕÐÃЕÒÈЧÍА ЕËЕÊÒÐÎÍІÊА
ISSN 2225-5818
особливість схеми зворотноходового трансфор-
матора дозволяє визначати мінімальну напругу
на елементах в модулі послідовно з’єднаних су-
перконденсаторів за допомогою додаткової об-
мотки, яка має таку ж кількість витків, як і вто-
ðиííі îбмîòêи [8]. Òîчíіñòь баëаíñóваííÿ íаïðó-
ги в схемі визначається напругою відсічки діоду.
Схему, в якій енергія більш заряджених ко-
мірок використовується для зарядження комі-
рок з нижчою напругою, представлено на рис. 5.
Формування зарядного струму від промисло-
вої мережі забезпечує зарядний блок. Äрайвери
призначені для узгодження кола керування си-
ëîвим êëючåм з ñиñòåмîю óïðавëіííÿ, виñîêîча-
ñòîòíиé іíвåðòîð — дëÿ ïаðаëåëьíîãî живëåííÿ
узгоджувальних трансформаторів для вирівню-
вання напруги між парними та непарними гру-
пами комірок задавального генератора, викона-
íîãî за ñõåмîю двîфазíîãî ШІМ-êîíòðîëåðа.
Яêщî íаïðóãа íа бóдь-ÿêîмó з ñóïåðêîíдåí-
саторів модуля буде вищою або нижчою за се-
редню напругу, то через обмотки узгоджуваль-
них трансформаторів Тр1…Тр(n+1) òа відêðиòі
ключі Ê1…Ên почне протікати струм, що при-
зведе до вирівнювання напруги на суперконден-
саторах модуля. Інвертор працює синхронно з
комутацією ключів і почергово здійснює переза-
ряд парної та непарної групи комірок, вирівню-
ючи напругу між групами. В результаті роботи
схеми напруга на комірках модуля вирівнюєть-
ся і струм зменшується до мінімального значен-
ня. Струм в первинних обмотках трансформа-
торів знижується до значень, які визначаються
втратами холостого ходу трансформаторів [9].
Через розбіжності параметрів трансформа-
торів знижується точність балансування напру-
ги модуля. Спочатку суперконденсаторний мо-
дуль заряджається не до максимальної напруги,
оскільки через відхилення параметрів суперкон-
денсаторів напруга на певному елементі модуля
може перевищувати максимальну рекомендовану
напругу при зарядженні до номінальної напру-
ги самого модуля. Тому повне зарядження мо-
дуля відбувається в кілька етапів, оскільки схе-
ма вирівнює напругу між групами суперконден-
саторів, а не контролює напругу кожного супер-
конденсатора окремо.
На рис. 6 представлено розроблену автора-
ми схему, яка позбавлена вказаного недоліку та
дозволяє забезпечити повернення надлишкової
енергії і більш високий рівень точності балан-
сування напруги окремо для кожного суперкон-
денсатора модуля. Схема відображує балансу-
вання двох сусідніх суперконденсаторів модуля.
В загальному випадку для балансування модуля
з N суперконденсаторів застосовується N іден-
тичних комірок балансування, підключених па-
ралельно до кожного з них.
Розглянемо принцип дії схеми та призначен-
ня її елементів на прикладі комірки суперкон-
денсатора Cscap1.
При досягненні напругою на суперконден-
саторі Cscap1 номінального значення відповідна
система керування, що складається з компара-
тора DA1, ШІМ-êîíòðîëåðа DA2 та елементів
їх обв’язки, дозволяє роботу розрядного пере-
творювача на транзисторі VT1. Після цього су-
перконденсатор Cscap1 стає зашунтованим, а над-
лишкова енергія повертається в джерело через
обмотку w3 трансформатора TV1 та діод VD3.
Такий процес триває до моменту досягнення на
кожному суперконденсаторі модуля номінальної
напруги. Ó цей момент блок керування зарядом
(íа ñõåмі ðиñ. 6 íå ïîêазаíиé) забîðîíÿє ðîбîòó
зворотноходового перетворювача силової части-
ни зарядного пристрою і суперконденсаторний
модуль відключається від мережі.
Äля керування рівнем напруги суперконден-
сатора Cscap1 використовується схема компара-
тора з гістерезисом, яка включає елементи DA1,
VD1, R1 ... R7. Стабілітрон VD1 та резистори
R3, R4, R6 забезпечують на неінверсному вхо-
ді компаратора опорну напругу, значення якої
визначається як
1 ,
ref swt
nU U
n
(5)
коефіцієнт співвідношення значень опору
ðåзиñòивíîãî діëьíиêа êîмïаðаòîðа;
напруга спрацювання компаратора.
де n —
Uswt —
Риñ. 5. Сõåма з виêîðиñòаííÿм åíåðãії біëьш заðÿджå-
них комірок для заряду комірок з нижчою напругою:
ЗБ — заðÿдíиé бëîê; Òð — óзãîджóваëьíі òðаíñфîð-
маòîðи; К — ñиëîві åëåêòðîííі êëючі; Дð — дðаéвåðи;
ЗГ — задаваëьíиé ãåíåðаòîð; І — виñîêîчаñòîòíиé
іíвåðòîð; Н — íаваíòажåííÿ
C1
C2
Cn
C3
Н
I
ЗГ
ЗБ
~220 В
Äр1
Äр2
Äр3
Äрn
Тр1
Тр1
Тр2
Тр3
Тр(n+1)
Ê1
Ê2
Ê3
Ên
Òåõíîëîãіÿ і êîíñòðóюваííÿ в åëåêòðîííіé аïаðаòóðі, 2017, ¹ 4–5
19
ЕÍЕÐÃЕÒÈЧÍА ЕËЕÊÒÐÎÍІÊА
ISSN 2225-5818
Напруга спрацювання компаратора визнача-
ється як
,
2
Hswt Lswt
swt
U UU
(6)
де UHswt, ULswt — відïîвідíî, вåðõíÿ òа íижíÿ
межі спрацювання компаратора, що обирають-
ся згідно з вимогами до точності балансування
напруги суперконденсаторного модуля.
Êоефіцієнт n розраховується за допомогою
виразу
1,
vcc vcc
hys
U Un
U
(7)
напруга джерела живлення ком-
ïаðаòîðа;
ширина петлі гістерезису компара-
тора, Uhys = UHswt – ULswt;
відповідно, верхня та нижня межі
спрацювання компаратора.
де Uvcc+, Uvcc– —
Uhys —
UHswt, ULswt —
Резистори R5, R7 реалізують позитивний зво-
ротний зв'язок. З дільника напруги R1, R2 на
інверсний вхід компаратора надходить напру-
га, пропорційна напрузі на суперконденсаторі
Cscap1. Якщо ця напруга перевищить номіналь-
не значення, напруга на інверсному вході ком-
паратора перевищить значення напруги на неін-
версному вході, і на виході встановиться низь-
êиé ðівåíь íаïðóãи. Наïðóãа з виõîдó 1OUT ïî-
даєòьñÿ íа іíвåðñíиé вõід 1IN–. Òаêим чиíîм,
з виõîдó 2OUT іíвåðòîваíиé ñиãíаë ïîдаєòьñÿ
íа вõід RESET ШІМ-êîíòðîëåðа, òим ñамим дî-
зволяючи його роботу.
Частота генерування прямокутних імпульсів
залежить від співвідношення величин опору ре-
зисторів R8 і R9 та ємності конденсатора С2 і
визначається як
1
2ln2 ( 2 ) , 8f = R + R C
(8)
îïіð відïîвідíиõ ðåзиñòîðів;
ємність конденсатора С2.
де R8, R9 —
C2 —
Імітаційне моделювання роботи комірки
балансування напруги
Моделювання роботи схеми балансування су-
перконденсаторного модуля здійснено в пакеті
LTspice [10]. Сõåмó ðîзðîбëåíîї мîдåëі ïðåд-
ставлено на рис. 7, а її ïаðамåòðи — в табли-
ці. Як схемні елементи використано компонен-
òи бібëіîòåêи Component, Comparators, Misc.
Рис. 6. Схема балансування двох сусідніх суперконденсаторів модуля з поверненням надлишкової енергії
Òåõíîëîãіÿ і êîíñòðóюваííÿ в åëåêòðîííіé аïаðаòóðі, 2017, ¹ 4–5
20
ЕÍЕÐÃЕÒÈЧÍА ЕËЕÊÒÐÎÍІÊА
ISSN 2225-5818
Р
иñ
.
7.
М
îд
åë
ь
ñõ
åм
и
ба
ëа
íñ
óв
аí
íÿ
ñ
óï
åð
êî
íд
åí
ñа
òî
ðí
îã
î
м
îд
óë
ÿ,
ÿ
êó
ñ
òв
îð
åí
î
в
ïа
êå
òі
L
T
sp
ic
e
Н
ап
ру
га
п
ер
ви
нн
ог
о
дж
ер
ел
а
ж
ив
ле
нн
я,
В
24
0
Ч
ас
то
та
п
ер
ет
во
ре
нн
я,
к
Гц
10
0
Н
ап
ру
га
з
ар
яд
у
м
од
ул
я,
В
5
Є
м
ні
ст
ь
су
пе
рк
он
де
нс
ат
ор
ів
м
од
ул
я,
Ф
35
0
М
ак
си
м
ал
ьн
ий
ч
ас
б
ал
ан
су
ва
нн
я
на
пр
уг
и
су
пе
рк
он
де
нс
ат
ор
ів
м
од
ул
я,
м
с
5
В
ід
хи
ле
нн
я
на
пр
уг
и
на
с
уп
ер
ко
нд
ен
са
то
ра
х,
В
±
0,
08
П
ар
ам
ет
ри
р
оз
ро
бл
ен
ої
м
од
ел
і
Òåõíîëîãіÿ і êîíñòðóюваííÿ в åëåêòðîííіé аïаðаòóðі, 2017, ¹ 4–5
21
ЕÍЕÐÃЕÒÈЧÍА ЕËЕÊÒÐÎÍІÊА
ISSN 2225-5818
Ðис. 8. Äіаграми напруги на суперконденсаторах двох сусідніх комірок під час балансування
Ðис. 9. Äіаграми напруги на суперконденсаторі (а), íаïðóãи êåðóваííÿ (б) òа ñòðóмó іíдóêòивíîñòі L1 (в)
під час балансування однієї комірки
а)
б)
в)
Òåõíîëîãіÿ і êîíñòðóюваííÿ в åëåêòðîííіé аïаðаòóðі, 2017, ¹ 4–5
22
ЕÍЕÐÃЕÒÈЧÍА ЕËЕÊÒÐÎÍІÊА
ISSN 2225-5818
Ю. В. КОЖУШКО, к. т. н. А. Ф. БОНДАРЕНКО
Óкраина, Национальный технический университет Óкраины
«Êиевский политехнический институт имени Игоря Сикорского»
E-mail: kozhushko_yullia@ukr.net, bondarenkoaf@gmail.com
БАЛАНСИРОВÊА НАПРЯЖЕНИЯ МОÄÓЛЬНОГО НАÊОПИТЕЛЯ ЭНЕРГИИ
ИСТОЧНИÊА ПИТАНИЯ ÄЛЯ ÊОНТАÊТНОЙ МИÊРОСВАРÊИ
Предложено схемное решение для балансировки напряжения модульного накопителя энергии на основе
суперконденсаторов источника питания для контактной микросварки. Приведены формулы для расче-
На рис. 8 представлено отримані в результа-
ті моделювання діаграми роботи наведених на
рис. 6 двох сусідніх комірок, які підтверджу-
ють працездатність запропонованої схеми балан-
сування, оскільки рівень напруги на суперкон-
денсаторах не виходить за встановлені межі. З
діаграм видно, що при досягненні напругою на
ñóïåðêîíдåíñаòîðі 2,5 В ïîчиíаєòьñÿ ïðîцåñ ба-
лансування, суперконденсатори заряджаються і
розряджаються в межах, які визначено шириною
петлі гістерезису компаратора (рис. 9). Піñëÿ
встановлення на суперконденсаторі номіналь-
ної напруги починається процес балансування
(рис. 9, а). На виõîді êîмïаðаòîðа U2 встанов-
люється напруга низького рівня. Сигнал з ви-
ходу компаратора U2 (див. ðиñ. 7) чåðåз іíвåð-
тор на транзисторі Q1 подається на елемент А1,
з виходу якого на силовий ключ М4 подаються
високочастотні сигнали керування (рис. 9, б).
При відкритому ключі суперконденсатор С3
розряджається через обмотку L3. Якщо супер-
конденсатор С1 теж зарядився до номінального
значення, коло заряду модуля припиняє роботу
під дією керуючого імпульсу системи контролю
заряду, зібраної на елементах А3, А4, А5, А6.
Через активні втрати у напівпровіднико-
вих елементах схеми енергія, що була накопи-
чåíа в îбмîòêаõ òðаíñфîðмаòîðів K-L1-L2 òа
K1-L3-L4-L5, ïîñòóïîвî ðîзñіюєòьñÿ і ïðîцåñ ба-
лансування припиняється (рис. 9, в).
Висновки
Запропонована схема балансування напруги
суперконденсаторного модулю показала свою
працездатність та ефективність. Схема дозво-
ляє із заданою точністю здійснювати вирівню-
вання напруги в модулях з N-íîю êіëьêіñòю
суперконденсаторів, що підтверджено резуль-
татами моделювання. Перевагою запропонова-
ного схемного рішення є можливість отриман-
ня високого коефіцієнту корисної дії, оскільки
надлишкова енергія комірки модуля не розсію-
ється у вигляді тепла, а повертається до дже-
рела живлення. Також перевагою такої схеми
є те, що балансування напруги кожного супер-
конденсатора модуля здійснюється окремо, не-
залежно від стану інших, що запобігає перед-
часному старінню модуля та скороченню кіль-
êîñòі заðÿдíî-ðîзðÿдíиõ циêëів.
Таким чином, запропонована схема балан-
сування напруги може бути рекомендована для
забезпечення ефективної роботи суперконденса-
торного модуля при побудові джерел живлен-
ня з проміжним накопиченням енергії устано-
вок контактного мікрозварювання.
ВИÊОРИСТАНІ ÄЖЕРЕЛА
1. Бондаренко Ю.В. Багатокомірковий транзисторний
перетворювач зі спільним використанням безперервного та
імпульсного керування для контактного мікрозварюван-
íÿ / Диñ. êаíд. òåõí. íаóê. — Аëчåвñьê, 2012 — С. 148.
2. Bondarenko O.F., Bondarenko I.V, Safronov P.S.,
Sydorets V.M. Effective circuit topology of DC power
supply for micro resistance welding // IEEE International
Conference on Intelligent Energy and Power Systems (IEPS-
2014).— 2014.— Р. 68—70. http://dx.doi.org/10.1109/
IEPS.2014.6874204
3. Сафронов П.С., Бондаренко Ю.В., Бондаренко О.Ф.
та ін. Поліпшення електромагнітної сумісності джерел жив-
ëåííÿ дëÿ ñиñòåм êîíòаêòíîãî зваðюваííÿ // Òåõíічíа
åëåêòðîдиíаміêа.— 2014.— ¹ 5.— С. 89—91.
4. Баëыêшîв А. Иîíиñòîðы // Эëåêòðîííыå
êîмïîíåíòы.— 2005.— ¹ 11.— С. 91—97.
5. Разóваåв Ю.Ю., Чаéêа М.Ю., Аãóïîв В.В. и дð.
Методы балансировки напряжений суперконденсаторных
эëåмåíòîв // Вåñòíиê Вîðîíåжñêîãî ãîñóдаðñòвåííîãî
óíивåðñиòåòа.— 2012.— ¹ 7.— С. 101 — 105.
6. Keshmiri V., Westerberg D., Andersson Ersman P. et al.
A silicon-organic hybrid voltage equalizer for supercapacitor
balancing // IEEE J. Emerg. Sel. Top. Circuits Syst.—
2017.— Vol. 7, no. 1.— P. 114—122. http://dx.doi.
org/10.1109/JETCAS.2016.2612724
7. Castano S., Gauchia L., Sanz-Feito J. Effect of packaging
on supercapacitors strings modeling: proposal of functional
unit defined around balancing circuit // IEEE Trans.
Components, Packag. Manuf. Technol.— 2013.— Vol. 3,
¹. 8.— P. 1390—1398. http://dx.doi.org/10.1109/
TCPMT.2013.2252956
8. Сизîв М. Уñòðîéñòвî дëÿ выðавíиваíиÿ íаïðÿжåíиé
íа эëåмåíòаõ баòаðåи ñóïåðêîíдåíñаòîðîв // Сîвðåмåííаÿ
эëåêòðîíиêа.— 2013.— ¹ 1.— С. 40—43.
9. Korotynsky A.E., Drachenko N.P., Shapka V.A.
Peculiarities of application of supercapacitors in devices for
pulse welding technologies // The Paton Welding Journal.—
2014.— N 9.— P. 34—38. http://dx.doi.org/10.15407/
tpwj2014.09.05
10. Сохор Ю. Н. Моделирование устройств в пакете
LTspise/SwCAD. — Пñêîв: «Издаòåëьñòвî ППИ», 2008.
Дата надходження рукопису
до редакції 25.09 2017 р.
Òåõíîëîãіÿ і êîíñòðóюваííÿ в åëåêòðîííіé аïаðаòóðі, 2017, ¹ 4–5
23
ЕÍЕÐÃЕÒÈЧÍА ЕËЕÊÒÐÎÍІÊА
ISSN 2225-5818
та узлов управления отдельной ячейки суперконденсаторного модуля. Проведено моделирование работы
схемы балансировки напряжения модуля и получены временные диаграммы процесса заряда суперконден-
сатора. Подтверждены работоспособность и эффективность предложенного решения.
Ключевые слова: контактная микросварка, накопитель энергии, суперконденсатор, балансировка напря-
жения, импульсный преобразователь.
Yu. V. KOZHUSHKO, О. F. BONDARENKO
Ukraine, National Technical University of Ukraine
«Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute»
E-mail: kozhushko_yullia@ukr.net, bondarenkoaf@gmail.com
VOLTAGE BALANCING IN MODULAR ENERGY STORAGE
OF POWER SUPPLY FOR MICRO RESISTANCE WELDING
Micro resistance welding is one of the most effective ways to obtain permanent joints of metal parts. The
quality of welded joints strongly depends on the characteristics of the power supply of welding equipment.
The power supplies for micro resistance welding based on Energy Storage topology have a softer impact on
the network than the ones based on Direct Energy topology. The use of supercapacitors for Energy Storage
type power supplies makes it possible to reduce the dimensions of welding equipment and to improve its
technical parameters. However, the feature of the supercapacitors is low value of the nominal voltage, which
usually does not exceed 3 V. To provide higher voltage, the modules of supercapacitors connected in series are
designed. In order to extend the life time of such modules, a voltage balancing system is required.
A circuit for balancing the voltage of a modular supercapacitor energy storage of a power supply for micro
resistance welding is proposed. The fragments of calculation of control units of a supercapacitor module cell
are given. The simulation of the balancing circuit operation is carried out and time charts of the supercapacitor
charge process are obtained. The operability and effectiveness of the proposed solution is confirmed. The
advantage of the proposed circuit is the possibility of obtaining the high efficiency because of returning the
excessive energy of the module cell back into the power supply.
Key words: micro resistance welding, energy storage, supercapacitor, voltage balancing, pulse converter.
DOI: 10.15222/TKEA2017.4-5.15
UDC 669.054
REFERENCES
1. Bondarenko Iu.V. Multicell-type transistor converter
with combined continuous and pulse control for micro resis-
tance welding, Ph. D. thesis. Alchevsk, 2012, p. 148. (Ukr)
2. Bondarenko O.F., Bondarenko I.V., Safronov P.S.,
Sydorets V.M. Effective circuit topology of dc power sup-
ply for micro resistance welding. Proceedings of 2014 IEEE
International Conference on Intelligent Energy and Power
Systems (IEPS), Kiev, Ukraine, 2014. http://dx.doi.
org/10.1109/IEPS.2014.6874204
3. Safronov P.S., Bondarenko Iu.V., Bondarenko O.F.,
Sidorets V.M., Kucherenko D.V. Increase of electromag-
netic compatibility of power supplies for resistance welding.
Technical Electrodynamics, 2014, no. 5, pp. 89-91. (Ukr)
4. Balykshov A. [Ionistors]. Elektronnye komponenty,
2005, no. 11, pp. 91-97. (Rus)
5. Razuvaev Yu.Yu., Chajka M.Yu., Agupov V.V.,
Gorshkov V.S., Silyutin D.E. [Methods of voltage balancing
for the supercapacitors]. Vestnik of Voronezh State Technical
University, 2012, no. 7-2, pp. 101-105. (Rus)
6. Keshmiri V., Westerberg D., Andersson Ersman P.,
Sandberg M., Forchheimer R., Tu D. A silicon-organic hybrid
voltage equalizer for supercapacitor balancing. IEEE J. Emerg.
Sel. Top. Circuits Syst., 2017, vol. 7, no. 1, pp. 114-122.
http://dx.doi.org/10.1109/JETCAS.2016.2612724
7. Castano S., Gauchia L., Sanz-Feito J. Effect of Packaging
on Supercapacitors Strings Modeling: Proposal of Functional Unit
Defined Around Balancing Circuit. IEEE Trans. Components,
Packag. Manuf. Technol., 2013, vol. 3, no. 8, pp. 1390-1398.
http://dx.doi.org/10.1109/TCPMT.2013.2252956
8. Sizov M. [The device for equalizing the voltages on the
cells of a supercapacitor battery]. Modern electronics, 2013,
no. 1, pp. 40-43. (Rus)
9. Korotynsky A.E., Drachenko N.P., Shapka V.A.
Peculiarities of application of supercapacitors in devices for
pulse welding technologies. The Paton Welding Journal, 2014,
no. 9, pp. 34-38. http://dx.doi.org/10.15407/tpwj2014.09.05
10. Sokhor Yu.N. [Device simulation using LTspice/
SwCAD software]. Publishing House of PPI, Pskov, Russia,
2008, p. 165. (Rus)
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-130096 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 2225-5818 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:04:05Z |
| publishDate | 2017 |
| publisher | Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Кожушко, Ю.В. Бондаренко, О.Ф. 2018-02-05T19:44:36Z 2018-02-05T19:44:36Z 2017 Балансування напруги модульного накопичувача енергії джерела живлення для контактного мікрозварювання / Ю.В. Кожушко, О.Ф. Бондаренко // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2017. — № 4-5. — С. 15-23. — Бібліогр.: 10 назв. — укр. 2225-5818 DOI: 10.15222/TKEA2017.4-5.15 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/130096 621.314: 621.311.6 Запропоновано схемне рішення для балансування напруги модульного накопичувача енергії на основі суперконденсаторів джерела живлення для контактного мікрозварювання. Наведено формули для розрахунку вузлів керування окремої комірки суперконденсаторного модуля. Проведено моделювання роботи схеми балансування напруги модуля та отримано часові діаграми процесу заряду суперконденсатора. Підтверджено працездатність та ефективність запропонованого рішення. Предложено схемное решение для балансировки напряжения модульного накопителя энергии на основе суперконденсаторов источника питания для контактной микросварки. Приведены формулы для расчета узлов управления отдельной ячейки суперконденсаторного модуля. Проведено моделирование работы схемы балансировки напряжения модуля и получены временные диаграммы процесса заряда суперконденсатора. Подтверждены работоспособность и эффективность предложенного решения. Micro resistance welding is one of the most effective ways to obtain permanent joints of metal parts. The quality of welded joints strongly depends on the characteristics of the power supply of welding equipment. The power supplies for micro resistance welding based on Energy Storage topology have a softer impact on the network than the ones based on Direct Energy topology. The use of supercapacitors for Energy Storage type power supplies makes it possible to reduce the dimensions of welding equipment and to improve its technical parameters. However, the feature of the supercapacitors is low value of the nominal voltage, which usually does not exceed 3 V. To provide higher voltage, the modules of supercapacitors connected in series are designed. In order to extend the life time of such modules, a voltage balancing system is required. A circuit for balancing the voltage of a modular supercapacitor energy storage of a power supply for micro resistance welding is proposed. The fragments of calculation of control units of a supercapacitor module cell are given. The simulation of the balancing circuit operation is carried out and time charts of the supercapacitor charge process are obtained. The operability and effectiveness of the proposed solution is confirmed. The advantage of the proposed circuit is the possibility of obtaining the high efficiency because of returning the excessive energy of the module cell back into the power supply. uk Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України Технология и конструирование в электронной аппаратуре Энергетическая электроника Балансування напруги модульного накопичувача енергії джерела живлення для контактного мікрозварювання Балансировка напряжения модульного накопителя энергии источника питания для контактной микросварки Voltage balancing in modular energy storage of power supply for micro resistance welding Article published earlier |
| spellingShingle | Балансування напруги модульного накопичувача енергії джерела живлення для контактного мікрозварювання Кожушко, Ю.В. Бондаренко, О.Ф. Энергетическая электроника |
| title | Балансування напруги модульного накопичувача енергії джерела живлення для контактного мікрозварювання |
| title_alt | Балансировка напряжения модульного накопителя энергии источника питания для контактной микросварки Voltage balancing in modular energy storage of power supply for micro resistance welding |
| title_full | Балансування напруги модульного накопичувача енергії джерела живлення для контактного мікрозварювання |
| title_fullStr | Балансування напруги модульного накопичувача енергії джерела живлення для контактного мікрозварювання |
| title_full_unstemmed | Балансування напруги модульного накопичувача енергії джерела живлення для контактного мікрозварювання |
| title_short | Балансування напруги модульного накопичувача енергії джерела живлення для контактного мікрозварювання |
| title_sort | балансування напруги модульного накопичувача енергії джерела живлення для контактного мікрозварювання |
| topic | Энергетическая электроника |
| topic_facet | Энергетическая электроника |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/130096 |
| work_keys_str_mv | AT kožuškoûv balansuvannânaprugimodulʹnogonakopičuvačaenergíídžerelaživlennâdlâkontaktnogomíkrozvarûvannâ AT bondarenkoof balansuvannânaprugimodulʹnogonakopičuvačaenergíídžerelaživlennâdlâkontaktnogomíkrozvarûvannâ AT kožuškoûv balansirovkanaprâženiâmodulʹnogonakopitelâénergiiistočnikapitaniâdlâkontaktnoimikrosvarki AT bondarenkoof balansirovkanaprâženiâmodulʹnogonakopitelâénergiiistočnikapitaniâdlâkontaktnoimikrosvarki AT kožuškoûv voltagebalancinginmodularenergystorageofpowersupplyformicroresistancewelding AT bondarenkoof voltagebalancinginmodularenergystorageofpowersupplyformicroresistancewelding |