Система для питания нескольких нагрузок постоянным током Советский патент 1982 года по МПК H02J7/34 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам питания комплекса нагрузок постоянным током. Областью специального применения являются автоматические комплексные морские маяки, оснащенные различными средствами навигационного оборудования.

Известны устройства для питания нагрузок постоянным током, содержа щие аккумуляторы и зарядно-разрядные цепи с коммутационными элементами Ц - 71.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство, .содержащее несколько секций аккумуляторов, входящих в состав зарядо-разрядных блоков, источник постоянного тока (например, радиоизотопный термоэлектрогенератор) и систему управления зарядо-разряд.ными блоками, включающую тактовый генератор и регистр, .причем зарядоразрядные блоки оснащены устройствами контроля состояния аккумуляторов и могут иметь различное количество секций аккумуляторов 8j.

В известном устройстве питания нагрузок степень заряда аккумулятор,ных батарей контролируется в каждом

зарядо-разрядном блоке, с целью . искт ючения их перезаряда.. При этоМ надежная работа устройства (бесперебойное снабжение потребителей электроэнергией) обеспечивается только при условии баланса вырабатываемой зарядным источником постоянного тока энергии,достаточной для поддержания в заряженном состоянии всех

10 секций аккумуляторов, и потребляемой энергии нагрузок. Нарушение баланса (увеличение потребляемой нагрузками энергий) ведет к отказу в работе устройства из-за перезаряда аккумуляторов. Вероятность возникновения

такой ава;рийной ситуации возрастает .при использовании в качестве зарядiного источника постоянного тока радиоизотопного термоэлектрогенератора,

20 характеризующегося ограниченной мощ«ностью, и питания переменных по потребляемой энергии нагрузок,каковыми являются, например, маячные средства навигационного оборудования. Поэтому,

25 во избежание перезаряда аккумуляторов, питающих переменную по энергии нагрузку, баланс энергии рассчитывают по максимально возможной потребляемой ,энергии, допуская возможность другой

30 крайности в работе устрО)йства - работу радиоизотопного термоэлектрогенератора на балласт, когда аккумуляторы заряжены (при нагрузке меньше балансной), что снижает эффективность использования дорогостоящей радиоизотопной энергии. Возможна работа 5 радиоизотопного термоэлектрогенератора на балласт за счет введения резервных батарей гальванических элементов, включенных вместо балласта и получающих ток з аряда в периЪды,10 когда аккумуляторы заряжены. Хотя заряд гальванических элементов менее эффективен, чем заряд аккумуляторов, бесполезные затраты энергии в этом случае уменьшаются, так как источник j заряда всегда сбединен электронным коммутатором либр с аккумулятора 1и, . либо с гальваническими элементами.

Если при небольшой мощности нагру зок (токи до 10 ампер) проблема ком-пенсации возможного дефицита энергии вполне удовлетворительно решается с помощью резервных гальванических эле ментов,, то в случае увеличения мощ- ности нагрузок потребуется соответствующее увеличение энергоемкости и уменьшение внутреннего сопротивления источника постоянного тока, роль которого гальванические элементы не способны выполнять-из-за худших, чем У аккумуляторов энергетических харак-.ЗО теристик. Поэтому возможность перезаряда аккумуляторов в прототипе не устраняется известными средствами и вероятность его возрастает с увеличением мощности нагрузки..35

Целью изобретения является увеличение мощности .нагрузок и повышение надежности путем исключения перезаряда аккумуляторов. .

Поставленная цель достигается 40 тем, что в устройство для питания несколькихнагрузок постоянным током, содержащее несколько секций аккуму- ляторов, собранных в батареи, снабженные устройствами контроля состояния аккумуляторов и входящие в состав соответствующего количества заРЯДо-разрядных блоков, источник пос-, тоянного тока, например, радиоизотопный /гермоэлектрогенератор, и сие- тему управления зарядо-разрядными блонами, включающую тактовый генератор и регистр, введены автономный источник переменного тОка, например, автоматический дизель-электрический агрегат, связанные с ним и зарядоразрядными блоками управляемые выпрясмители и логические элементы И и ИЛИ,соединенные vC цепями управления зарядо-разрядных блоков своими входами и с цепями управления автоном-бО ным источником переменного тока - выходами , причем каждый управляемый выпрямитель связан с цепями управления соответствующего зарядо-разрядНого блока. 65

На чертеже показана функциональная электрическая схема устройства для питания нескольких нагрузок постоянным током.

Устройство содержит регистр 1, тактовый генератор 2, источник постоя ного тока 3 (например, радиоизотопный термоэлектрогенератор), управляемые выпрямители 4, зарядо-разрадные блоки S., каждый из которых имеет выводы 6 .и 7 для подключения нагрузок (не показаны), выводы 8 и 9 для подключения источника постоянного тока 3, выводы управления 10-14, секции аккумуляторов 15, (в частном случае, как в зарядо-разрядном блоке БЗ, может быть одна секция аккумуляторов), устройство контроля состояния аккумуляторов 16, логические элементы И-НЕ 17 и 18, формирователи импульса по заднему фронту вход ного сигнала 19 и 20, диод 21, инвертор 22, распределитель импульсов 23 (только, при нескольких секциях аккумуляторов 15) и управляемые ключевые ячейки 24( - 24ц, логический-элемент И 25, лор}лческк элемент ИЛИ 26 к ав :6номный источник переменного тока 27 .(например, автоматический дизельэлектрический агрегат).

Исходное положение устройства для питания нескольких нагрузок постоянЧ ным током определяется заряженным состоянием секций аккумуляторов 15 зарядо-разрядных блоков 5, к вывода .которых б и 7 подключены нагрузки (на чертеже приведены четыре зарядоразрядных блока 5,, - 54) и напряжение которых зависит от количества идентичных секций аккумуляторов 15, а начальное состояние схемы характеризуется тем, что регистр 1 обеспечивает на выводе 11-j первого зарядоразрядного блока 5 сигнал логической 1, а на выводах 11 - 11 остальных зарядо-разрядных блоков З - 5 сигнал логического 0} зарядо-разрядные блоки .5 f - 54 на своих выводах 8 и 9 имеют напряжение источника постоянного тока 3, выводы управлени 10, 12 и 14 имеют сигналы логического О, а выводы 13 - сигналы логической 1.

На чертеже приведены два варианта схем зарядо-разрядного блока 5, один из которых (5) является частным случаем общего решения (5| ) и не содерйсит лишь распределитель импульсов 23, за ненадобностью, так как в этом зарядо-разрядном блоке (5) лишь одна секция аккумуляторов 15 и соответственно одна управляемая ключевая ячейка 24.

Для приведения в действие схемы устройства необходимо включить таК.товый генератор 2, который начинает формировать на своем выходе прямоугольные импульсы (сигналЬа логической 1), Появление ригнала логической 1 на выводах 10 всех зарядо-разрядных блоков 5i - 54 вызывает срабатывание схемы только в первом зарядоразрядном блоке 5 -(, который к этому уже подготовлен сигналом логической 1 на выводе 11,,, в этом зарядо-разрядном блоке совпадение сигналов логической 1 на его выводах 10 и 11 вызывает появление на выходе логического элемента И-НЕ 17 сигнала логи- 0 ческого О и соответственно на выходе инвертора 22 сигнала Логической 1, который одновременно поступает jia вход распределителя импульсов 23 и на вход логического элемента И-НЕ 15 18, другой вход КОТОРОГО ужеимеет. сигнал логической 1 устройства контроля состояния аккумуляторов 16 (аккумуляторы в исходном положении заряжены) . В результате на выходе логичес-20 кого элемента И-НЕ 18 сигнал логической 1 сменяется сигналом логического О и до окончания тактового импульса на выходе формирователя импульса по заднему фронту входного сигнала 19 25 появляется импульс, котор1ай во-первых, сбрасывает распределитель импульсов 23 в исходное состояние и, во-вторых, пройдя диод 21 и вывод 12 , воздействует на вход регистра 1, обес- ол пеиивая продвижение лог ической 1 на второй выход последнего. Аналогично . происходит срабатывание схем остальНЕзх зарядо-разрядных блоков, в которых аккумуляторы заряжены. Начало разряда в зарядо-разрядных блоках характеризуется некоторым уменыаением напряжения (0,1 В на аккумулятор) на которое реагирует устройство контроля состояния аккумуляторов и изменяет свой сигнал на выводе 13 с логи- 40 ческой 1 на логический О, тем самым постоянно удерживая на выходе логического элемента И-НЕ 18 сигнал лоз ической 1 и подготавливая к работе распределители импульсов 23 и управ:л 45 ляемые ключевые ячейки 24 по сигналеал тактовых импульсов, обеспечивая постоянно импульсный режим подразряда аккумуляторов. Этот режим харак,теризуется тем, что каждая секций 50 аккумуляторов 15 получает импульсы ;зарядного тока длительностью, равной ;Ъерирду тактовых импульсов,постоянно со скважностью, обусловленной коли|чеством секций аккумуляторов 15 во 55 всех зарядо-разрядных блоках 5 - 5sf. При этсям работа схемы каждого зарядоразрядного блока 5, начиная с первого, происходит следую1цим образом. ;

Задний фронт первого (после блокировки логического элемента И-НЕ 18 сигналом логического О от устройства контроля состояния аккумуляторов 16) тактового импульса вызывает появление на первом выходе распреде- 65

лителя импульсов 23Ъигнала логической 1, который удерживается там в течение такта (пауза плюс импульс) ,т.е.до окончания второго тактового импульса.

В результате за время действия первого такта тактового генератора 2 потенциальный (положительный) сигнал удерживает открытой управляемую ключевую ячейку 24, обеспечивая зарядный процесс в первой секций аккумуляторов 15. При этом остальные зарядо-разрядные блоки 52 - 54 заблокированы нулевыми потенциалами (логиг ческими 0) регистра 1 и прикладываемые к их выводам 10 2 - 104 тактовые импульсы не оказывают действия. За первым тактом следует второй, вызывающий появление потенциального сигнала на втором выходе распределителя импульсов 23 одновременно с исчезновением его с первого выхода. При этом закрывается управляемая ключевая ячейка 24j и открывается следующая, обеспечивая процесс заряда очередной секции аккумуляторов 15. Таким образом, за каждый такт (пауза плюс импульс) тактового генератора 2 происходит смена заряжаемой секции аккумуляторов 15. После закрытия последней управляемой ключевой ячейки 24п в данном зарядо-разрядном блоке 5 по заднему фронту тактового импульса, соответствующему переходу последнего распределителя и етульсов 23 из состояния логической 1 в состояние логический О, формирователь иМпуль|Са по заднему фронту сигнала 20 вырабатывает импульс, который, во-первых, обеспечивает сброс схемы распределителя импульсов 23 в исходное (нулевое) состояние и, во-вторых, ярсжодя через диод 21 и вывод 12, воздействует на вход регистра 1, продвигая тем сакалм логическую 1 на следуки й (второй) вход последнего. Диоды 21 в зарядо-разрядных блоках вьщол няют логическую функцию ИЛИ, обеспечивая развязку сигналов зарядо-разряд ных блоков, поступающих через выводы 12 - 124 на вход регистра 1. Появление логической 1 на втором выходе регист)а 1 обеспечивает, аналогично описанному, действие второго зарядоразрядного блока 5, вместо выключенного зарядо-разрядного блока 5-i . По окончании работы схемы последнего зарядо-разрядного блока 54. сигнал i лргаческой 1 в регастре 1 перемеща- етсд на первый его выход и работа схемы устройства продолжается по круговому циклу, начиная опять с первого эарядо-разрядного блока. Если секции аккумуляторов 15 в каком-либо из зарядно-разрядных блоков 5 зарядятся до установленного верхнего предела напряжения, то сработает устройство контроля состояния аккумуляторов 16 этого блока и вьвдаст сигнал логической 1 на вывод 13, обеспечивая выключение данного зарядо-разрядного блока из кругового зарядного цикла. При этом скважность постоянно-импульс ного режима заряда, оставшихся в зарядном цикле зарядно-разрядных блоков уменьшается на величину, соответствующую количеству секций аккумуляторов выключенного из зарядного кругового цикла зарядно-разрядного блока. По мере уменьшения количества работающих зарядо-разрядных блоков,. ввиду увеличения отключенных (блокированных) эарядо-разрядных блоков, доля зарядной энергии, отдаваемой источником постоянного тока, оставшимся в круговом зарядном цикле аккумуляторам, растет и процесс заряда аккумуляторов ускоряется. Среди з.арядо-разрядных блоков могут быть такие, например, блок 5,, в которых имеется всего одна секций аккумулятЬ{)ов 15. Поэтому в таком зарядо-разрядном блоке отсутствует распределитель импульсов 23 и тактовые импульйы поступают непосредственно на управляемую ключевую ячейку 24 а также одновременно на вход формирователя импульса по заднему фронту сигнала 20.-Далее работа схемы устройства происходит аналогично опи., санному выше. При увеличении мощности нагрузок и соответственно увеличении энергии, снимаемой с аккумуляторных батарей зарядо-разрядных блоков 5, работающий постоянно источник постоянного тока 3 (радиоизотопный термоэлектрогенератор) не восполняет полностью запасенную в аккумуляторах энергию и они начинают снижать свое напряжение. Когда напряжение аккумуляторной батареи в каком-либо из зарядо-разрядных блоков 5 ( - 54 понизится ДО нижнего предельного уровня (1, 2 В на аккумулятор) , срабатывает устройство контроля состояния аккумуляторов 16 этого блока и вьщает сигнал логической 1 на вывод 14. Так как выводы 14 всех зарядо-разрядных блоков 5 - 5, связаны через логический элемент ИЛИ 26, с целью управления автономным источником переменного тока 27 (напри мер, С целью пуска дизель-эЯектричёского агрегата), последний начинает вырабатывать переменный ток, поступаю щий в сеть, связывающую все управляе мые выпрямители 4, - 44. Каждый из управляемых выпрямителей 4 - 4 сво им выходом связан с выводами 6 и 7 соответствующего зарядо-разрядного блока5, я поэтому начинается заряд i аккумуляторов, причем в тех блоках 5 в которых аккумуляторы не достигли , максимального напряжения (1,4 - 1,5В на аккумулятор). По достижении верхнего предельного уровня напряжения на аккумуляторах срабатывает соответствующее устройство контроля состояния аккумуляторов 16, вьщавая на вывод 13 сигнал логической 1. Этот сигнал выключает управляемый выпрямитель 4 данного зарядо-разрядного блока 5. Ввиду того, что все выводы 13 - 13 ( соединены через логический элемент И 25 с цепью управления автономным источником переменного тока 27 (цепью остановки автоматического дизель-электрического агрегата), noc-i ледний выключается только тогда, когда все секции аккумуляторов 15 всех Зарядо-разрядных блоков 5 - 5 бу-/ дут иметь предельное по максимуму напряжение аккумуляторных батарей, т.е. когда все устройства контроля состояния аккумуляторов 16 будут иметь на выводе 13 сигнал логической 1. Мощность авто1номного источника переменного тока 27 выбирают, исходя из условия скорейшего (форсированного) заряда аккумуляторов одновременно всех зарядо-разрядных блоков 5. Введение в устройство для питания нескольких нагрузок постоянного тока, содержащее ряд секций аккумуляторов, заряжаемых маломощным источником постоянного тока (например, радиоизотопным термоэлектрогенератором), автономного источника переменного тока с управляемыми выпрямителями и логической схемой управления ими на элементах И и ИЛИ позволяет сочетать постоянно-импульсный режим подзаряда энергоемких аккумуляторов с эпизодическим Интенсивным их зарядом, не допуская перезаряда аккумуляторов,, как бы не увеличивсшась мощность нагрузок и какой бы дефицит энергии при этом не возникал, так как последний всегда компенсируется за счет и в пepe ;eлax ресурса автономного источника переменного тока. В результате повьшается надежность устройства и устранена критичность его к изменению мощности нагрузок, что расширяет сферу применения такого устройства и позволяет ввести единообразие в структуру энергооборудования автономных автоматических объектов, способствуя тем самым сокращению эксплуатационных расходов. Формула изобретения Система для питания нескольких нагрузок постоянным током, содержащая несколько секций аккумуляторов, собранных в батареи, снабженные устройствами контроля состояния аккумуляторов и входяпцие в состав соответствующего количества зарядо-разрадных блоков, источник поотоянного тока. например радиоиэотопный термоэлектр генератор, и систеКп/ управления зарядо-разрядными блоками, включающую тактовый генератор и регистр, отличающаяся тем, что, с целью увеличения мощности нагрузок и повышения надежности путем исключения перезаряда аккумуляторов, вве дены автономный источник переменног тока, например, автоматический дизе электрический агрегат, связанные с ним и зарядо-разрядными блоками управляемые выпрямители и логические элементы И и ИЛИ, соединенные с цепями управления зарядо-разрядных блоков своими входами и с цепями управления автономным источником переменного тока - йыходами/ причем каждый управляемый выпрямитель связан с цепями управления соответству ющего зарядо-разрядного блока.. Источники информации, | принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР 690589, кл, Н 02 J 7/34, 1973. 2.Авторское свидетельство СССР 748665, кл. Н 02 J 7/34, 1978. 3.Патент США № 3947743, кл. КЛ. 320-2, 1976. 4.Патент Великобритании 1420586, кл. Н 2 Н, 1976. 5.. Патент ФРГ № 2502049/ кл. Н 02 J 7/34, 1977. 6.Заявка Японии № 51-10651, кл. 57АО. 7.Патент Франции № 2300451, кл. Н 02 J 7/34, 1976. 8.Авторское свидетельство СССР по заявке 2977751, кл. Н 02 J 7/34, 1980.

.