Устройство для питания нагрузки постоянным током Советский патент 1980 года по МПК H02J7/00 

1 .,

Изобретение относится к системам электроснабжения потребителей,энергии постоянного тока; устанавливаемых преимущественно на транспортных J и мобильных средствах.

При создании устройств для обеспечения буферной работы генераторов постоянного тока со щелочными батареями на общую нагрузку встречаются ю трудности при согласовании их по номккапзал напряжений между собой и с нагрузкой вследствие особеиностей щелочных батарей, требуиицих при заряде значительно большего превышения . |g зарядногонапряжения относительно ИХ номинального значения по сравнении) со . свинцовыми.

Известен метод, который предполагает согласование напряжения ясточника питания с требуемым напряжением зарядки аккумуляторов путем переключения отдельных групп аккумуйятЬрныК батарей с последовательного соединения (имеющего место при работе бата- 25 реи на нагрузку) на параллельное соединение групп (например, в две одинаковые параллельные группы) при зарядке аккумуляторных ,батарей от источника постоянного тока, когда часть JQ

напряжения источника гасится на балластных резисторах 1 .

Однако этот способ неэкономичен и поётОМу Нё всёгдй йожёт быть применен на транспортных средствах, где невозможно применение источников питания с достаточно большой мощностью.

в другом известном решении предусмотрено включение щелочной кадь:ийнййёлёвбй батареи параллельно свинцо-, вой аккумуляторной батарее (с одинаковыми номинальными напряжениями) при работе на нагрузку и отключение «елочной батареи от нагрузки с помощью переключающего устройства при её эарадё от .генератора постоянного т6ка 2Т.

Это решение имеет также недостаток - не обеспечивается нормальный заряд п елочной кадмий-никелевой бата и, так как генератор постоянного тока, согл&сован11ый по напряжению с нагрузкой и со свинцовой батареей по нолшналам, не может обеспечить необходимого превышения напряжения,при заряде щелочной батареи и, следовательно, не обеспечивает восстановление потерянной емкости. Кроме этого, и1.-за того, что не обеспечивается необхЬднмое превышение напряжения призаряде, заряд ведется малыми тоТкШй, а это в случае применения щелочных батарей приводит в процессе эксплуатации к постепенному уменьшению емкости батареи и к ее систематическому недоэаряду, что может вывести батарею из строя. В ряде технических решений применяют в системе два источника постоян ного тока, при этом один источник ис пользуется для работы на нагрузку, а другой для заряда аккумуляторной батареи с соответствующим устройством переключейия режима работы системы. При таком решении имеется полная воз Мржйбсть согласовать по напряжениям режим работы системы на нагрузку и режим заряда батарей, обеспечив при этом соответствукмцёё оптимальное пре вышение напряжения при заряде бата-реи 3 и , Недостатком указанного технического решения является необходимость включения в схему двух источников постоянного тока с разными номинальНЁ1МЙ напряжениями, что усложняет сис тему и увеличивает вес устройства, в езультате это является препятствием применения такой системы на трансП015ТНЫХ средствах, где из-за ограничений по весу и габаритам применяютqji источники тока ограниченной мощности. : Известны устройства, в которых пр дусмотрено регулирование зарядного тока аккумуляторной батареи путем из йёнёния зарядного напряжения с приме нением обратной связи По току или по лапряжению Ts и . Недостатком эткх устройств являет ся то, что необходим источник тока с большим номинальным напряжением, зна чительно превышающим номинаЛьное на пряжение батареи и нагрузки, При это .излишнее напряжение гасится и мощность бесполезно рассёиваетс на схе мах с регулируемым транзистором, вкл ченннм в цепь заряда батареи. Из-за указанных недостатком эти схемы не могут быть применены в системе с ис точником ограниченной мощности. ИзвестнУ схемы, где применяется вольтодобавочный источник тока п1)И . заряде батареи, он отключается при ра«5оте батареи на нагрузку l1, Недостатком этой схемы является отсутствие стабилизирующей Ьвязи по . заряда батареи, вследствие чего невозможно обеспечить оптимальны режим заряда батареи и повысить эко комичность использования мощности источника постоянного тока. Кроме этого, требуется дополнительный в ОЛЬ то добавочный источник.. Наиболее .б.;;..экнм к изобретению ПО техническсй сущности является ус ройство, содёржйщее источник постоя ного тока, нагрузку, аккукгуляторную

748660 батарею, вольтодобавочны преобразователь с питанием от источника постоянного тока с трансформаторным выхоом, имеющим несколько отводов витков, включаемый последовательно с источником тока при заряде батареи, мостовой выпрямитель, бЛок контроля напряжения и управляющие семисторы. Такое включение в схему вольтодобавочного преобразователя позволяет использовать устройство для работы. в системе с применением источника ограниченной мощности В, Однако существенными недостатками указанного устройства является то, что при дискретном переключении витков трансформатора вольтодобавочното преобразователя в зависимости от величины зарядного напряжения не исключены значительные броски тока в начальном периоде заряда, батареи, и то, что из-за особенностей зарядной характеристики щелочной аккумуляторной батареи имеется практически нерегулируемый по напряжению период в работе устройства в течение второй половины цикла заряда.Это происходит из-за тог), что напряжение на щелочной аккумуляторной батарее после передачи ей в процессе заряда 50-60% необходимых ампер-часов практически перестает возрастать за счет увеличения ее степени заряженности и зарядный ток перестает стабилизироваться этим .устройством и постепенно уменьшает- . .ся и далее заряд ведется малыми токамк. Снижение зарядного тока неблагоприятно сказывается на емкости, кото- . рую может воспринимать и отдавать щелочной аккумулятор. кроме того, в этом случае значительно увеличивается времй заряда. В период эксплуатации наиболее оптимальным является режим заряда при неизменном нормальном зарядном токе. В этом случае не происходит .СНйжения емкости аккумулятора в процессе эксплуатации. Кроме этого, величина зарядного напряжения сйльйо зависит от темпера:туры электролита и для того, чтобы при этом обеспечить Поддержание величины зарядного тока в заданных пределах, необходимо ввести коррекцию по температуре эле.ктролита. Осуществить такую коррекцию технически сложно. В этом устройстве также не обеспечиваатсй автоматическое согласование по номиналам напряжений источника постоянного тока и нагрузки при работе в буферном режиме, так как на нагрузку подается напряжение, величина которого выше номинального напряжения источника тока. Цель изобретения. - устранение отмеченйих н едостатков, т.е. улучшение условий эксплуатации устройства. Для достижения Указанной цели в устройстве, содержащем источник постоянного тока, аккумуляторную -батарею, нагрузку, вольтодобавочный преобразователь напряжения, подключенный своим входом на клеммы источник постоянного тока, а выходом включенный в качестве вольтодобавки последовательно с источником постоянного тока в цепь заряда аккумуляторной батареи, осуществлена отрицательная, обратная связь по току заряда, для чего в устройство введены шунт, установленный последовательно в .цепь заряда аккумуляторной батареи, два делителя напряжения, состоящие из двух потенциометров и параллельно им включенного стабилитрона и через общий резистор подключенных к минусовой шине устройства, другая общая точка потенциометров и стабилитрона подключена к точке соединения шунта с плюсовым выводом вольтодобавочного преобразователя. Кроме этого, введено реле напряжения, подключенное на клеммы источника постоянного тока, размыкающие контакты реле включены пар|аллельно выходу вольтодобавочногопреобразователя напряжения, а замыкающие контакты реле включены в цепь питания этого преобразователя, и диод, включенный последовательно в плюсовую шину источника постоянного тока. При этом вольтодобавочный преобразователь выполнен с фазоимпульсным управлением величиной выходного напряжения на двух синхронизированных мультивибраторах с мостовым усилителем мощности и с фазосдвигающим синхронизирующим магнитным усилителем, управляющая обмотка которого подключена к среднему выводу потенциометра управления и к точке соединения шунта с плюсовым выводом аккумуляторной батареи, а обмотка смещения магнитного усилителя подключена к среднему выводу .потенцйбметра, смещения и к общей точке соединения лотенциомётров,стабилитрона и резистора.

На чертеже приведена электрическая схема устройства для питания нагрузки постоянным током.

Схема содержит источник 1 постоянного тока (например, генератор), нагрузку 2, включенную параллельно источнику тока, щелочную кадмий-никелевую аккумуляторную батарею 3, подключаемую на нагрузку при понижении (или отсутствии) напряжения генератора, вольтодобавочный преобразователь 4 напряжения, выход которого включается последовательно с источником 1 постоянного тока в качестве вольтодобавочного источника тока при заряде аккумуляторной батареи, реле 5 напряжения, переключающее режим работы системы (работы на нагрузку - заряд батареи), диод 6, используемый в качестве элемента развязки источников питания, шунт 7, ,

используе№лй в качестве датчика тока отрицательной обратной связи по току заряда, потенциометр 8 управления, потенциометр 9 смещения, стабилитрон 10 и резистор 11.

Схема работает следующим образом. При нормальной работе источник 1 ПОСТОЯННОГО тока подключен через диод 6 на нагрузку 2 и последовательно с выходом вольтодобавочного преобразователя 4 на заряд аккумулятор-,

0 ной батареи 3. Реле 5 напряжения подключено, на клеммы генератора. Напряжение от источника 1 постоянного тока подается на вход вольтодобавочного преобразователя 4 через замыкгиощие

5 контакты реле 5. Размыкающие контакты реле 5 напряжения подключают ак.кумуляторную батарею 3 к нагрузке 2 при переключении батареи с заряда в работу на нагрузку.

0

При отключении источника 1 тока или при снижении на его клеммах напряжения ниже допустимого предела реле 5 обесточивается и своим замыкающим контактом размыкает цепь пи5тания вольтодобавочного преобразователя напряжения, а своим размыкающим контактом подключает аккумуляторную батарею на нагрузку.

При повышении напряжения источни0ка 1 постоянного тока реле 5 срабатывает и нагрузка автоматически переключается на питание от источника постоянного тока, при этом автоматически восстанавливается цепь заряда батареи.

5

В процессе заряда батареи 3 величина тока, протеакающего через шунт 7,. автоматически поддерживается постоянной за счет подачи управляющего напряжения отрицательной обратной свя0зи с шунта 7 и со среднего вывода потенциометра. 8 управления на управляющую обмотку магнитного усилителя преобразователя 4, выходное напряжение которого изменяется в зависимос5ти от изменения сигнала обратной связи.

С помощью потенциаометра 9 смещения задается необходимый режим работы магнитиого усилителя вольтодоба0вочного преобразователя 4, в котором реализовано фазоимпульсное управление величиной выходного напряжения. Преобразователь выполнен по схеме трехкаскадного усилителя.

5

Входной .каскад - фазосдвигающий управляющий магнитный усилитель - преобразует управляющий сигнал в изменение угла насыщения сердечника магнитного усилителя.

0

В промежуточном каскаде, выполненном на двух синхронизированных мультивибраторах, формируются импульсы прямоугольной формы с регулируемой скважностью, которая определяет сред5нее значение напряжения в выходном Кчаскадвр представляющим собой мостовой ус илитель мощности. Мультиздбраторьа рабЬтайтсикхрЬннб и cd сЖвйгсм во времени Синхронизация работы мультивибраторов осуществляется чере рабочую обмотку йагнитйого усилкт°ля Момент насыщенная мАгнитног о сИлите ля определяется величиной сигнала об ратной связи. Большой коэффициент ТсиНёНйя преобразователя по мощности () обеспечйает высокую стабйл6 йость ве лЙад Ш%а:рядного тока в течение всег t Ha-saiiHita:. : : -, ,.Стабилитрон 10 поддерживает cTCHHHtiiM напряжение на потенциометре 8 управления и на потенциометре 9 смещения и, тем самым, обеспечивает высокую стабильность задающе г6 й опорного напряжений, Подаваемых на управляющие обмотки магнитного усили теля, чем достигается необходимая точность поддержания величины зарядного тока. Резистор 11 Уиспользуется в схёме 1ЁГ -Кач ЬтВе элемента делителя напряжения. Таким образом, вве,цение в схему плавной регулировки напряжения вольтодобавочного преобрЭзрватёля .в за вйсимости от изменения величины за рйднога тока позволяет повысить сте пеНь полезного использования источника посТояннс)готока, улучшить ус Ловия эксплуатации устройства и акку муляторных батарей и уменьшить потери емкости батареи в процессе экс плуатации путем создания оптимальных условий зарядного режима батареи. Фермуаа изобретения Устройство для питания нагрузки постояйным током, содержащее две вы ходные клеммы, аккумуляторную бата рёю, источник постоянного тока, вол тодобавочный преобразователь напряж кия с обратной СВЯЗЬЮ и с выпрямите лем на выходе, включенный последова тёльНО с источником постоянного ток в цепь заряда аккумуляторной батаре отличающеес я тем, что, с Целью улучшения условий эксплуата ции устройств а, в него введены шунт включенный в цепь заряда аккумуляторной батареи, подключенные к точке соединения шуйта с плюсовым выводом 8ольто добавочного преобразователя два делителя напряжения, состоящие ИЗ сойдинёнНШс параллельно со стабилйтрочой Двузс потенциометров и по-Ьлёдовйтёльяр с ним соединенного общего резистора, подключенного другим выводом к минусовому выводу батареи, реле напрйжёййя, подалюченное к ис- . точйику постоянного тока, paз ыкaющие контакта которого включены параллельно вЕ-Ходу вОльтодобавочного преобразователя напряжейия, а замыкающие контакты - в цепь питания этого преобразователя, и диод, подключенный одним выводом К плюсовому выводу источника постоянного тока, а другим к выходной клемме, соединенной с минусовым выводом вольтодобаБочйого преобразователя, при этом ч последний выполнен с фазоимпульсным управлением величиной выходного на-. пряжениК на двух синхройизированных мультивибра.торах с мостовым усилителем мощности и с фазосдвигающим синхронизйруЩим магнитным усилителем, управляющая .обмотка которого подключена if Среднему выводу одного потенциометра и к точке соединения шунта С плюсЬёвм выводом аккумуляторной батареи, а обмотка смещения - к среднёму вйводу другого потенциометра и к общейточке соединения потенциометров, стабилитрона и резистора. Источй1 и информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Техническое описание Батарея аккумуляторная 5НКТБ-80, 173.57б.601-ТО, 1972. 2.Патент СССР № 291536, кл. Н 02 J 7/00, 1966. 3.Авторское свидетельство СССР № 417871, кл. Н 02 J 7/34, 1566. 4.Патент ФРГ 124376.6, кл. 21 с 42/02, 1973. 5.Патент Японии № 49-3177, кл. 57 D 1,. 1974. 6.Патент Швейцарии № 572678, кл. Н 02 J- 7/34, 1976, 7.Патент ФРГ № 1160933, кл. 21 с .51/01, 1969. 8.Авторское свидетеЛьствр СССР № 525936, кл. Н 02 J 7/00, 1976.