Устройство для питания нагрузки Советский патент 1979 года по МПК H02J7/00 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам пи тания нагрузки от буферных аккумуляторных батарей и подзаряда последних и может быть использовано в системах электроснабжения различных автономных объек тов с резкопеременным графиком нагру ки, обеспечиваемым источником постоянно го тока ограниченной мощности и аккуму ляторной батареей, работающей в буферном режиме. В этих системах батарея обеспечивает пики мощности и подзаряжается при минимальном потреблении тока нагруз кой. Известное автоматическое буферное аккумуляторное устройство для питания нагрузки на подвижном объекте содержит ак кумуляторную батарею, разделенную на секции, коммутируемые в последовательгные и параллельные цепи, и систолу управления автоматикой tl. В этом устройстве источник электрической энергии - генератор-отдает энергию в нагрузку лишь тогда, когда его напряжение превышает напряжение батарои. Наиболее близким к предложенному по технической сущности является устройст во, в котором аккумуляторная батарея разделена на несколько соединенных последовательно секций и подключена в буфер с источником nocTOsmHoro тока ограниченной мощности, напряжение которого не превышает напряжения батареи. Между однополярнътми клеммами источника и батареи включены в прямом направлении вентили, а отводы от батареи подключаются к соот ветствутощим клеммам источника через ключи - полностью управляемые вентили, коммутируемые спедиальным блоком управления ключами. Ключи - полностью управляемые вентили (транзисторы или запираемые тиристоры) - поочередно подключают секции батареи к источнику и импульсно подзаряжают батарею 12. При буферном включении нагрузки, когда номинальное напряжение источника равно номинальному разрядному напряжению батареи, КПД заряда двухсекционной батареи в таком устройстве не превышает 50% а трехсекционной батареи - 33,3%. Следовательно типовая (габаритная) мощность источника при выполнении батареи, секционированной более, чем в два раза, превьршает значение мощности, требуемой для питания нагрузки. Поэтому такое устройство характеризуется завышенным значением установленной мощности источника. Целью изобретения является обеспеч&ние уменьшения установленной мощности источника. Это достигается тем, что в предложенаном устройстве параллельно цепи, образованной каждым из вентилей и соответсрвуюшей секцией двухсекциоьшой батареи, включены в проводящем направлении одна или несколько пар соединенных последовательно-согласно управляемых вентилей-тиристоров, а точки соединения тиристоров каждой из этих пар через последовательно включенные конденсатор и линей шгй дроссель подключены к клемме источникаj, соединенной с ветппем другой цепи. На фиг. 1 приведена схема предложенного устройства; на фиг. 2 то же, один из вариантов. Сопротивление нагрузки 1 подключено к клеммам батареи 2, разделенной на две равные секции. Батарея соединена с .источншсом 3 постоянного тока через ве№ тили-диоды 4 и 5, включенные соответственно между положительными и отрицатель ными клеммами источника и батареи. Эти вентили пропускают ток источника 3 в на грузку 1, когда бйтарея разряк ена и ее напряжение меньше напряжения источника 3, а также предохраняют батарею от разряда на источник, когда батарея заряжена полностью. Заряд батареи осуществляется вентильными ключами-а ирнсторами 6-9, подкл очающими секции батареи на заргщ от вспо могательных конденсаторов, промежуточны , - Д накопителей энергии. Ключи 6, 7 для одной и ключи 8, 9 для другой секции бата

рой включены параллельно цепи вентиль - секция батареи и коммутируются парафаз- ным блоком 10 управления вентилями, объединенным с блоком контроля напряжения батареи.

Выводы средних точек тиристорных ключей через линейные дроссели и последовательно соединенные с ними котщенса- торы подключены к различным клеммам источника. Ключ, содержащий тиристоры 6 и 7, через дроссель 11 и конденсатор

ра ток в цепи последовательного контура 11, 12, потребляемый от источника, изменяется по закону синуса и конденсатор 12 заряисается практически д двойного напряжения источника, В следующем полупериоде (четном) при заряде конденсатора 14 открывается тиристор 7, в результате чего когщенсатор 12 через дроссель 11 разряжается на секцию батареи, соединенную последовательно с диодом 5. Ток

разряда конденсатора, изменяясь по сину2 подключен к отрицательной клемме, а люч 8, 9.(через дроссель 13 и конденатор 14) - к положительной клемме исочника. Схема работает следующим образом. Предположим, что в течение всех, наример, нечетных полупериодов (первого и т.д.) колебаний парафазного автогенераора блока управления вентилями Ю от источника 3 через тиристор 6 и дроссель 11 резонансно заряжается конденсатор 12, после чего тиристор 6 гаснет. В т&чение четных полупериодов через тиристор 9 и дроссель 13 заряжается конденсатор 14. По око гчании полуволны тока в зарядном контуре напряжение на емкостном накопителе-конденсаторе становится равным .„E.. где, Е - ЭДС источника 3; S-B/gL - затухание контура; - собственная частота контура, L - индуктивность дросселя; С - емкость конденсатора; Р - активное сопротивление контур ра, слагающееся из внутреннего сопротивления источника 3, прямого сопротивления тиристора, активного сопротивления дросселя и конденсатора. Если частота контура равна частоте автогенератора /iuc напряжение на конденсаторе определяе1-ся по формуле, Л - l«-Cc/2U ) энергия запасенная этим конденсатором, - согласно выраженто ( г/ rtR4R.C/2U призарядепроме н Т Л ) «Суточного накопителя энергии - конденсатора 12 (14) на активном сопротивлении контура и внутреннем сопротивлении источника рассе- . ивается энepгияд x/ JL.Qc2 jHosTOMy заряд конденсаторов осуществляется с КПД меньшим единицы, определяемым .-ч.-i согласно формулеtt --ЧРЙ РТП- г i 2-е , В нечетных полупериодах автогенератосоиде, становится равным нулю и тиристор 7 гаснет. В нечетных полупериодах (кроме первого) конденсатор 14 через, дроссель 13 и тиристор 8 отдает энергию секции батареи, соединенной последовател но с диодом 4. Таким образом, нечетные импульсы бл ка 10 подаются на тиристоры 6 и 8, а четные - на тиристоры 7 и 9. Конденсатор 12 в нечетные полупериодьг заряжается, а в четные-отдает энергию секции батареи. Конденсатор 14, наоборот в четные периоды заряжается, а в нечетные - разряжается. Частота последовательных резонансных контуров должна быть равна частоте импульсов блока Ю или должна превьтшат частоту автоколебаний этого блока. При равенстве частот от источника 3 потребляется ток, изменяющийся от нуля до Mais симума, а затем снова до нуля. Если частота контура превьгашет частоту коммутации тиристоров, импульсы потребляемого тока чередуются с паузами. Конденсаторы 12 и 14 контуров разряжаются на секции батареи полностью в соответствующие полупериоды работы ухугройства, если напряжение на конденсаторах в начале разряда не меньше, чем в два раза пр&вышает напряжение соответствующей с«сци Так как разряд промежуточных накопив телей энергии-конденсаторов - на соответствующую секцию батареи осуществляется через тиристоры и линейные дроссели, ак- тивн эе сопротивление которых отлично от нуля, часть энергии, отдаваемой накопителем-конденсатором, безвозвратно рассе ивается, в результате чего КПД разряда соответственно понижается. С погрешнрорък, не превышающей 5,2% этот коэффициент определяется формулой . I: EfbUc/B; . индуктивность дросселя в цепи разряда конденсатора. При такой передаче энергии источника, вначале в промежуточные конденсаторы, а затем в секции батареи, ток, потреблягемый от источника, изменяется по гармоническому закону. Среднее значение этого тока составляет 63,7% от его амплитудного значения, равного отношеншо ЭДС источника к его внутреннему сопротивлению. Импульсный характер тока, повьпиая на 11% коэффициент формы тока, примерно на 23% увеличивает потери мощности на активных сопротивлениях контура зар$гда промежуточного накопителя (по сравяению с непрерывным током заряда батареи в прототипе). Однако в связи с тем, что мощностьпередаваемая в HaKonMTenbjrbie конденсаторы, увеличивае1х;я при такой передаче энергии источника более чем в два раза, мощность передаваемая в нагруэку, соответственно возрастает. Введение в схему устройства дополнительньгх накопителей энергий-конденсаторов и дросселей (имеющих удельную массу порядка 0,01-1 г/кВА) приводит к увеличен1-ио абсолютных потерь мощности в активных сопротивлениях уст ройства, однако за счет увеличения полезной мощности, передаваемой в нагрузку, . КПД такой передачи энергии тохсе увелт1 чивается. Это позволяет почти вдвое уметшщить типовую мощность источш1ка (удельная масса которого порядка 100 г/Вт), т.е. улучшить энергетттческие показатели устройства. Для обеспечения такой эффективной передачи энергии источника в секции батареи необходимо, чтобы зарядньгй контур имел достаточно вьюокую доброт кость (при добротности контура, равной 10, КПД заряда конденсатора 93%), В связи с тем, что при заряде конденсаторов 12 и 14 энергия рассеивается на ак- тийном сопротивлении потерь дросселя, а также на внутреннем сопротивлении самого источника, что уменьшает КПД системы в целом (добротность зарядного контура: источник, дроссель, тир 1стор, кон™ аенсатор, численно равна частному от целевая реактивного сопроттголения дросселя или, что то же самое так как пря резонансе на акпшное сопротивленле потерь Q Х/ необ-. ходимо повышение добротности контура. Решение указанной задачи может быть в значителыюй мере упрошено, если последовательные кон.туры (11, 12 и 13, 14 каждый) выполнить в виде двух или более контуров, коммутируемь х на одну и ту же секцию батареи. Так, если одну секшда за-ряжать через контуры 11, 12 и 15, 16, а другую - нерез контуры 13, 14 и 17, 18 (фиг. 2), при той же типовой мощнооти реактивных элементов, что в схеме tia фиг. 1 сопротивление контура увелич ша-. ется в два раза (реактиыюе), в результате чего добротность контура также возрастает примерно в 2 раза. При трех (чеырех) контурах добротность каждого в три-четьфе раза выше, чем у одноо исходного, вес дроссеяей и ковденсаторов останется неизменньм, а надежность устройства увеличивается. Это создает предпосылки к выполнению устройства в виде совокупности отдельных модулей с н KonHTenHMtt. Увеличение добротности совокупности контуров приводит к повышению напряисения конденсаторов, что дополнительно уве личиваст мошностъ в нагрузке и повышает зарядное напряжение., Коммутация дополнительных модулей (15, 16 и 17, Is) - контуров с накопителями - может осуществляться одновременно с основными тиристорами (19, 20 и 21, 22). Пары тиристоров, осуществляющие заряд конденсаторов, включаются па раллельно основным тиристорам. Кроме того, если блок 10 управления вентилями выполнить в виде многофазного автогене- ратора, число фаз в котором равно Числу модулей с резонансными контурами, приходящимися на одну секцгпо батареи, а ти ристоры, коммутирующие эти контуры, от пирать с соответствующим фазовым сдвигом, кроме повьпаения КПД устройства можно такясе уменьшить неравномерность отбора мощностей от источника, что дополнительно увеличивает отдачу энергии, позволяет уменьшить его типовую мот- пость. При выполнении автогенератора двухфазным в первом такте первой фазы вк.почаются тиристоры 6 и 8 и ocymeci вляется заряд конденсатора 12. Первым тактом второй фазы отпираются тиристоры 19 и 21 - заряжается конденсатор 16. Ток заряда этого конденсатора отста о ет на 9 О от тока заряда конденсатора 12. Во втором такте первой фазы открываются тиристоры 7 и 9, в результате чего конденсатор 14 заряжается а конденсатор 12 разряжается. Во втором такте второй фазы открываются тиристоры 20 и 22 и осуществляется заряд, конденсатора 18 и разряд конденсатора 16. Импульсы тока заряда конденсаторов. 12, 14 и 16, 18 сдвинуты на 90, что характеризует потребление тока от источника с коэффициентом кмпульсации 0,133 против 0.667 и схеме с однофазным автогенератором по фиг. 1. Поэтому типовая мощность источника и устройстве с многофазным автогенератором уменьшается более чем в 1,5 раза, по сравнению с устройством с однофазным генератором. Формула изобретения Устройство для питания нагрузки, содержащее аккумуляторную батарею, разде- ленную на несколько, например на две, соединенные последовательно секции, источник постоянного тока ограниченной мощности, напряжение которого не превышает напряжение батареи, вентили, включенные в прямом направлении между однополярными клеммами источника и батареи, отводы которой через управляемые вентильные ключи подключены к соответствующим клеммам источника, и блок управления ключами, отличающееся тем, что, с целью уменьшения установленной мощности источника, параллельно цепи, образованной каждым из вентилей и соответствующей секцией бйтареи, включены в проводящем направлении одна или более пар соединенных последовательно-согласно управляемых вентилей-тиристоров, а точки соединения тиристоров каждой из этих пар через последовательно включен1гые конденсаторы и линейный дроссель подключены к клемме источника, соединен ной с вентилем другой цепи. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 352338, Н 02 J 7/14. 2.Авторское свидетельство СССР № 269263, Н 02 J 7/00.

Фиг. 2

Фиг.1