УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ЦЕПИ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ УСТАНОВКИ ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 1999 года по МПК G01R31/36 H01M10/42 H02J7/00 

Изобретение относится к производству, распределению и потреблению электроэнергии и предназначено для установок постоянного тока (далее - установка) электрических станций и подстанций промышленных предприятий, состоящих из подключенных к сборным шинам аккумуляторной батареи и выпрямительных зарядных агрегатов, работающих в режиме стабилизации выпрямленного напряжения по схеме постоянного подзаряда батареи [1], стр. 353].

Известно устройство, состоящее из двух шунтов, блока сравнения, двух счетчиков, двух дифференцирующих цепей, генератора и RS-триггера, предназначенное для контроля цепи аккумуляторной батареи, работающей в буфере с автоматизированным выпрямителем, имеющим на выходе малую переменную составляющую [2].

Наиболее близким по принципу действия является устройство, состоящее из нелинейного элемента, конденсатора, выпрямительного моста, переменного резистора, стабилитрона, двухобмоточного реле, вольтдобавочного устройства, подключенного к входным клеммам выпрямителя и выполненного в виде выпрямительного моста с потенциометрическим выходом, причем начало первой обмотки реле через стабилитрон и нелинейный элемент присоединено к плюсовому выводу батареи, вторая обмотка реле через переменный резистор подключена к постоянным выводам выпрямительного моста и встречно относительно первой обмотки, один переменный вывод моста через конденсатор и нелинейный элемент соединен с плюсом контролируемой батареи, а второй переменный вывод этого моста связан с ее минусовым выводом [3]. Устройство фиксирует нарушение цепи аккумуляторной батареи, реагируя на переменную составляющую выпрямленного напряжения зарядного устройства.

Однако в этом устройстве переменная составляющая зарядного устройства используется без усиления ее мощности, что вызывает необходимость применения в нем специальных реле с высокой чувствительностью.

Целью изобретения является разработка устройства контроля цепи аккумуляторной батареи с повышенной путем увеличения выходной мощности чувствительностью, что позволяет использовать в нем исполнительное реле, рассчитанное на номинальное напряжение установки.

Поставленная цель достигается устранением влияния на устройство переменной составляющей напряжения на сборных шинах при нормальном состоянии цепи аккумуляторной батареи с помощью стабилитрона, усилением переменной составляющей при нарушении цепи батареи с помощью транзистора и преобразованием ее после усиления в постоянную составляющую с помощью конденсатора.

Предлагаемое устройство контроля цепи аккумуляторной батареи установки постоянного тока, состоящей из подключенных к сборным шинам аккумуляторной батареи и выпрямительного зарядного агрегата, работающего в режиме стабилизации выпрямленного напряжения по схеме постоянного подзаряда, содержит следующие элементы:
n-p-n-транзистор, включенный на напряжение сборных шин установки;
последовательно включенные в цепь базы резистор, стабилитрон и конденсатор;
параллельно включенные в цепь коллектора обмотку управления исполнительного реле и цепь из последовательно соединенных резистора и конденсатора;
соединенный с отрицательной шиной эмиттер транзистора;
диод, шунтирующий переход эмиттер - база в непроводящем направлении;
замыкающий контакт исполнительного реле, включенный в схему сигнализации установки.

Напряжения транзистора, конденсатора и диода выбирают по амплитудному значению линейного напряжения вторичной обмотки согласующего трансформатора зарядного агрегата. Резисторы в цепях базы и коллектора ограничивают токи через p-n-переходы транзистора при заряде и разряде конденсаторов. Мощность резисторов должна соответствовать номинальному напряжению установки, под которым они могут оказаться в случае пробоя конденсаторов. Исполнительное реле имеет обмотку управления на постоянное напряжение, равное номинальному напряжению установки. В устройстве используют электромагнитные реле, промежуточные, указательные или электронные реле времени.

Принцип действия устройства заключается в следующем. Напряжение на шинах установки в режиме постоянного подзаряда с подключенной аккумуляторной батареей имеет форму, близкую к прямой линии, содержащую переменную составляющую от напряжения зарядного агрегата. Напряжение на обмотке исполнительного реле в этом режиме отсутствует, так как прохождению тока через переход база - эмиттер транзистора препятствуют от постоянной составляющей напряжения конденсатор в цепи базы, а от переменной стабилитрон. Стабилитрон обеспечивает заряд конденсатора до амплитудного напряжения подзаряда. Напряжение на конденсаторе превышает действующее значение напряжения на шинах установки в пределах напряжения стабилизации и не допускает прохождение тока через переход база - эмиттер транзистора.

При нарушении цепи аккумуляторной батареи на сборных шинах устанавливается стабилизированное выпрямленное напряжение зарядного агрегата, содержащее значительную переменную составляющую. Напряжение переменной составляющей превышает напряжение стабилизации стабилитрона, и через конденсатор в цепи базы проходит переменный ток. При повышении напряжения на шинах ток заряда конденсатора проходит по переходу база - эмиттер, а при снижении напряжения ток разряда конденсатора проходит по диоду, шунтирующему переход эмиттер - база в непроводящем направлении.

Под воздействием тока базы в цепи коллектора устанавливается напряжение. Наблюдения по осциллографу показали, что при разомкнутой цепи конденсатора в цепи коллектора кривая напряжения между выводами обмотки реле расположена симметрично относительно оси абсцисс и постоянная составляющая этого напряжения близка к нулю. С замыканием цепи конденсатора кривая напряжения поступательно перемещается вверх и при достаточной емкости конденсатора полностью располагается над осью абсцисс. Исполнительное реле при этом срабатывает и замыкает контакт в цепи сигнализации установки.

Уровень переменной составляющей напряжения на шинах установки при нарушении цепи аккумуляторной батареи с увеличением тока зарядного агрегата (нагрузки установки) снижается, что связано с автоматическим изменением угла открывания тиристоров и степени сглаживания тока зарядного агрегата в его дросселе. Чувствительность устройства должна быть достаточной для срабатывания при номинальном токе агрегата. Чувствительность повышают увеличением емкости конденсаторов или подбором транзистора с большим коэффициентом усиления по току.

По принципу действия устройство не реагирует на набросы и сбросы нагрузки, подключенной к сборным шинам, на отклонение от номинального напряжения на шинах и на замыкания на землю в сети постоянного тока, то есть не обладает ложным действием и правильно ориентирует обслуживающий персонал.

Принцип действия устройства и особенности его наладки поясняют следующие графические материалы. На фигуре 1 изображена принципиальная схема установки постоянного тока и устройства контроля цепи аккумуляторной батареи. Результаты наладки устройства в реальных установках приведены в таблицах фигур 2, 3, 4. В таблице фигуры 2 приведены данные по изменению уровня переменной составляющей напряжения на шинах в зависимости от тока зарядного агрегата. В таблицах фигур 3, 4 показано влияние емкости конденсаторов на чувствительность устройства.

На схеме фигуры 1 изображена принципиальная схема установки, состоящей из аккумуляторной батареи GB, зарядных агрегатов VS с симметричной и несимметричной схемами выпрямления и устройства контроля цепи аккумуляторной батареи, подключенных к сборным шинам.

Разработанное устройство испытано в установках напряжением 220 В с тремя типами агрегатов:
1. агрегат типа ВАЗП 380/260 - 40/80 с симметричной схемой выпрямления и автоматикой на интегральных микросхемах (далее VS1);
2. агрегат ВАЗП 380/260 - 40/80 с несимметричной схемой выпрямления и автоматикой на магнитных усилителях (далее VS2);
3. агрегат японского производства с несимметричной схемой выпрямления и автоматикой на магнитных усилителях (далее VS3). Характеристики агрегатов типа ВАЗП 380/260 - 40/80 приведены в [1], ст. 334.

Все перечисленные агрегаты работают в режиме стабилизации напряжения и их ток в любой момент времени равен сумме токов нагрузки и подзаряда батареи с точностью ±2%.

Указанные выше агрегаты имеют различные характеристики изменения уровня переменной составляющей выпрямленного напряжения в зависимости от тока нагрузки без связи с аккумуляторной батареей. В таблице фигуры 2 приведены значения переменного тока через конденсатор емкостью 1 мкФ, подключенный на выпрямленное напряжение 220 В при холостом ходе и граничных значениях тока относительно номинального зарядных агрегатов.

Условные обозначения в таблице фигуры 2:
XX - холостой ход агрегата;
I_н - номинальный ток агрегата;
I_с - переменный ток через конденсатор.

В схему устройства контроля цепи аккумуляторной батареи входят следующие элементы:
VT - транзистор, включенный на напряжение сборных шин;
R1, VD1, C1 - резистор, стабилитрон и конденсатор в цепи базы;
K, R2, C2 - исполнительное реле, резистор и конденсатор в цепи коллектора;
VD - диод, шунтирующий переход эмиттер - база.

Для установки напряжением 220 В используют следующие элементы устройства:
транзисторы КТ846А, КТ838А или их зарубежные аналоги;
реле промежуточное РП-23, 220 В;
конденсаторы МБГО, 630 В, 0,5 мкФ (1 мкФ);
резисторы ПЭВ-50, 1 кОм;
стабилитроны Д816А (до трех последовательно);
диод КД105Г.

Наладку устройства производят в следующей последовательности. Устройство с соблюдением полярности подключают на выпрямленное напряжение зарядного агрегата установки. К выводам обмотки исполнительного реле подключают вольтметр для измерения постоянного напряжения. В режиме постоянного подзаряда установки нагружают до номинального тока зарядный агрегат и контролируют по вольтметру напряжение на обмотке реле. Определяют количество стабилитронов в цепи базы транзистора, необходимое для получения нулевого показания вольтметра, начиная с полного шунтирования стабилитронной цепи и далее добавляя по одному стабилитрону. Определенное таким образом количество стабилитронов включают постоянно в цепь базы транзистора. После этого зарядный агрегат с устройством отключают от установки и нагружают агрегат до номинального тока. Напряжение на обмотке исполнительного реле при этом должно быть не менее 200 В. Чувствительность устройства повышают увеличением емкости конденсаторов или подбором транзистора с большим коэффициентом усиления по току. После повышения чувствительности вновь проверяют отсутствие напряжения на обмотке исполнительного реле в режиме постоянного подзаряда.

Влияние стабилитрона VD1 на работу устройства с использованием перечисленных выше элементов показано в таблице фигуры 3, составленной по результатам измерений на агрегате VS2.

Условные обозначения в таблице фигуры 3:
U_С1 - напряжение на конденсаторе C1;
U_к - напряжение на обмотке реле K;
U_ш - напряжение на шинах установки или на выходе агрегата, отключенного от установки.

Ввиду различия характеристик изменения уровня переменной составляющей и степени сглаживания выпрямленного тока в дросселе при наладке в цепи базы транзистора устройства для агрегата VS1 включали один стабилитрон, для агрегата VS2 - два стабилитрона, для агрегата VS3 стабилитронную цепь шунтировали.

Для достижения достаточной чувствительности для агрегатов VS1 и VS2 использовали конденсаторы емкостью 0,5 мкФ, а для агрегата VS3 - конденсаторы емкостью 1 мкФ. Результаты измерений приведены в таблице фигуры 4.

Измерение токов в цепях устройства и проверку термической устойчивости элементов производили при подключении устройства с конденсаторами емкостью 1 мкФ и двумя стабилитронами к агрегату VS2, работающему в режиме ХХ. Токи в цепях устройства имели следующие значения:
ток конденсатора C1 - ≈ 50 мА;
ток конденсатора C2 - ≈ 50 мА;
ток базы транзистора VT - 15 мА;
ток диода VD - 15 мА;
ток в обмотке реле K - 23 мА;
ток эмиттера - 39 мА.

После ста часов непрерывной работы нагрев элементов устройства был неощутимым. Все элементы работали без охладителей.

Устройство не действовало при одновременном включении группы высоковольтных выключателей с суммарным током включения 200 А в установке с агрегатом VS1 и 400 А с агрегатом VS2.

Проверена работа устройства с электронным реле времени типа ВЛ - 66 и указательным реле типа РУ - 21/220. Использование этих реле при неизменной емкости конденсаторов позволит с увеличением сопротивления резисторов уменьшить их мощность.

Источники информации
1. Справочник по проектированию электроснабжения под редакцией В.И. Круповича, Ю.Г. Барыбина, М.Л. Самовера. Москва, "Энергия", 1980 г.

2. SU, авторское свидетельство N 1831736 A, кл. H 01 M 10/42, 1993 (3с).

3. SU, авторское свидетельство N 1065934 A, кл. H 01 M 10/42, 1984 (3с).

Сущность изобретения: устройство контроля цепи аккумуляторной батареи установки постояного тока с выпрямительным зарядным агрегатом, работающим в режиме стабилизации напряжения по схеме постоянного подзаряда, подключенным к сборным шинам, содержит исполнительное реле с обмоткой управления, замыкающий контакт реле включен в схему сигнализации установки, конденсатор, резистор и стабилитрон. Устройство снабжено включенным на напряжение сборных шин n-р-n-транзистором, в цепь базы которого последовательно включены резистор, стабилитрон и конденсатор. В цепь коллектора параллельно включены обмотка исполнительного реле и цепь из последовательно соединенных резисторов и конденсатора, а эмиттер подключен к отрицательной шине. Переход эмиттер - база шунтирован диодом в непроводящем направлении. Технический результат - повышение чувствительности устройства контроля. 4 ил.

Устройство контроля цепи аккумуляторной батареи установки постоянного тока с выпрямительным зарядным агрегатом, работающим в режиме стабилизации напряжения по схеме постоянного подзаряда, подключенным к сборным шинам, содержащее исполнительное реле с обмоткой управления, замыкающий контакт которого включен в схему сигнализации установки, конденсатор, резистор и стабилитрон, отличающееся тем, что оно снабжено включенным на напряжение сборных шин n-p-n-транзистором, в цепь базы которого последовательно включены резистор, стабилитрон и конденсатор, в цепь коллектора параллельно включены обмотка исполнительного реле и цепь из последовательно соединенных резистора и конденсатора, а эмиттер подключен к отрицательной шине, и диодом, шунтирующим переход эмиттер - база в непроводящем направлении.