Устройство для питания нагрузки постоянным током Советский патент 1983 года по МПК H02J7/00 

Изобретение относится к автономньам системам электроснабжения .потребителей энергии гостоянного тока, устанавливаемых, преимущественно, на подвижных средствах с источниками тока ограниченной мощности.

Известно, чю при создании устройств для обеспечения буферной работы генераторов постоянного тока со

. щелочными батареями на общую нагрузку, встречаются трудности при.согласовании их по номиналам напряжений между собой и с нагрузкой вследствие

особенностей щелочных батарей, требующих при заряде значительно большего превышения зарядного напря.жения относительно их номинального значения по сравнению со свинцовыми.

,Известно устройство, в котором обеспечивается техническое решение задачи обеспечения буферной работы щелочной аккумуляторной батареи и маломощного источника постоянного тока (бензоэлектрического агрегата) на оСщую нагрузку, согласованную по напряжению с источником постоянного тока и с аккумуляторной батареей. При этом необходимое превышение напряжения при заряде достигается с помощью автоматического переключения отдельных групп аккумуляторов с последовательного соединения (имеющего место при работе на нагрузку) на параллельное (в две одинаковые параллельные гРУПпы) при заряде аккумуляторных батарей от источника постоянного тока, когда часть напряжения источника гасится на баЛластных резисторах. Во избежание сильного уменьшения зарядного тока В конце первой половины цикла заряда производится автоматическое подключение параллельно основным гасящим резисторам дополнительных резисторов l).

Однако габариты и вес такого устройства велики из-за наличия громоздких балластных резисторов и конструктивных элементов, предназначенных для рассеивания выделяющейся на них значительной части мощности источника тока.

Недостаток устройства состоит также в том, что при ограниченной мощности источника постоянного тока невозможно в обеих параллельных группах обеспечить номинальную величину зарядного тока. Величина зарядного тока -в устройстве уменьшена более чем на треть, по сравнению с номинальной, в результате чего приблизительно на треть увеличивается время заряда аккумуляторной батареи, время работы бензоагрегата и, соответственно, на треть увеличивается расход горючего, при этом приблизи.тельно на треть быстрее вырабатывает ся ресурс бензоагрегата при заданном

количестве циклов заряда аккумуляторной батареи.

В устройстве 21 предусмотрено включение щелочной кадмий-никелевой батареи параллельно свинцовой аккумуляторной батарее (с одинаковыми номинальными напряжениями) при работе на нагрузку и отключение щелочной батареи от нагрузки с помощью переключающего устройства при ее заряде от генератора постоянного тока.

Это решение имеет недостаток не обеспечивается нормальный заряд щелочной кадмий-никелевой батареи, так как генератор постоянного тока, дс согласованный .по напряжению с нагрузкой и со свинцовой батареей по номиналам, не может обеспечить необходимого превышения напряжения при заряде щелочной батареи и, следовательно, не обеспечивает полного вос20. становления потерянной емкости.

Кроме того, так как не обеспечивается необходимое превышение напряжения при заряде, заряд ведется малыми токами, а это, в случае применения щелочных батарей, приводит в процессе эксплуатации к постепенному уменьшению емкости батареи к ее сйсг тематическому недозаряду, что может вывести батарею из строя. Заряд ще 30 лочной батареи малыми токами приводит к Необходимости установки второй (свинцовой) батареи, что, увеличивает габариты и вес всего устройства.

5 В технических решениях Сз и 4 предлагается применять в системе два источника постоянного тока,, при этом один источник используется для работы на нагрузку, а другой - для п заряда аккумуляторной батареи с

соответствующим устройством переключения режима работы системы.

Недостатком указанных устройств является необходимость включения в схему двух источников постоянного

5 тока с разными номинальными напряжениями, что усложняет систему и увеличивает габариты, и ве;с устройства.

В технических решениях 5 и б1 . предусмотрено регул.;рование зарядного тока аккумуляторной батареи путем изменения зарядного напряжения с применением обратной связи по току и по напряжению.

Недостатком этих устройств является то что в них излишнее напряжение гасится на регулирующих силовых транзисторах, включенных последовательно в цепь заряда и работающих в активном режиме, при этом дляих охлаждения требуются радиаторы больших размеров, что ведет к увеличению габаритов и веса устройства, а рассеивание мощности на регулирующих транзисторах приводит к большим 5 потерям энергии. В схеме устройства Г7J предусмотрено применение вольтодобавочного источника тока при заряде батаре и отключение его при работе батареи на нагрузку. Недостаток этой схемы в том, что требуется дополнительный вольтодобавочный источник, что связано с увеличением габаритов и веса. Устройство 8 содержит источник постоянного тока, нагрузку, аккумуляторную батарею, вольтодобавочный преобразователь с трансформаторным выходом, включенный последовательно с основным источником в цепь заряда аккумуляторной батареи. Выходной трансформатор вольтодобавочного пре образователя имеет несколько отводов, переключаемых с помрщью семисторов, управление которыми осуществляется блоком контроля напряжения заряда. Питание вольтодобавочного преобразователя осуществляется от основного источника. Однако существенным недостаткгом указанного устройства является то, что дискретное переключение витков трансформатора вольтодобавочного преобразователя, в зависимости от величины зарядного напряжения, приводит к значительным броскам тока в начальном периоде заряда батареи. Другим недостатком является то, что из-за особенностей зарядной характеристики щелочных аккумуляторных батарей имеется практически нерегулируемый по напряжению период в работе устройства в течение второй половины цикла заряда. Кроме того, так как обратная связь в устройстве осуществляется по напряжению заряда аккумуляторной батареи, на величину которого существенное влияние оказывает температура электролита, то для обеспечения необходимой величины заргщного тока в схему устройства требуется введение коррекции по температур электролита, что приведет к усложне нию схемы. В техническом решении э } для превышения напряжения при заряде аккумуляторной батареи используется преобразователь, силовая часть которого выполнена по схеме с индукти ным накопителем энергии. В качестве индуктивного накопителя энергии в преобразователе используется ненасыщейный дроссель, а в качестве клю ча - полупроводниковая переключающа /схема. В зарядной схеме имеются: блок, обнаруживающий превышение зна чения действительного зарядного тока над заданным;блок,который по сиг налу обратной связи регулирует длительность выходных импульсов генера тора, управляющего транзисторным клю чом; блок, обнаруживающий превьашение зарядного напряжения над заданным и закрепляющий транзисторный ключ на период превышения напряжения. Недостатком устройства являются большие габариты и вес из-за наличия ненасыщенного дросселя. Другим недостатком устройства является его недостаточная надежность, связанная с большой вероятностью аварийндго режима в схеме,, приводящего к выходу из строя всех полупроводниковых приборов системы при перенапряжениях большой величины, которые могут возникнуть при неисправности хотя бы одного из элементов схемы защиты от превышения напряжения и одновременном обрыве цепи аккумуляторной батареи или ее отключения. Наиболее близким по технической сущности и решаемой задаче является устройство для питания-нагрузки постоянным током, содержащее источник постоянного тока,нагрузку, аккумуляторную батарею, вольтолобавочный преобразрватель напряжения с обратной связью по току и с выпрямителем на выходе, включенный последоВс1тельно с источником постоянно о тока в цепь заряда аккумуляторной батареи, шунт, включенный в ц«пь заряда аккумуляторной батареи, реле напряжения, подключенное к источнику постоянного тока, при этом вольтодобавочный преобразователь выполнен с фазоимпульсным управлением величиной выходного напряжения -на двух синхронизированных мультивибраторах с мостовым усилителем мощности и с фазосдвигающим магнитным усилителем, на одну из управляющих обмоток которого сигнал подается с шунта, включенного в цепь заряда аккумуляторной батареи и служащего в качестве датчика тока, а на другую управляющую обмотку подается сигнал сме,щени-я, причем фазоимпульсное управление достигается за счет регулирования .временного сдвига друг относительно друга напряжений, управляющих транзисторами противоположных плеч моста, выходного мостового усилителя мощности на вольтодобавочном преобразователе Ю. Недостатком этого устройства являются большие вес и габариты вы- ходного трансформатора, а также трансформаторов синхронизированных мультивибраторов в вольтодобавочном преобразователе. Другим недостатком являются потери энергии на переходах силовых транзисторов усилителя мощности мостового типа, применение которого в вольтодобавочном преобразователе данного ,устройства необходимо. Целью изобретения является уменьшение габаритов и веса устройства. Для достижения указанных целей в устройство, содержащее аккумуляторную батарею, источник постоянного тока, вольтодобавочный преобразователь напряжения с обратной связью по току заряда и с вьтрямителем на выходе, включенный последовательно с источником постоянного тока в цеп заряда аккумуляторной батареи, шунт включенный в цепь заряда аккумулято ной батареи, реле напряжения, подкл ченнЬе к источнику постоянного тока причем замыкающие контакты реле вкл чены в цепь питания вольтодобавочно го преобразователя, введен масштабный усилитель, выполненный на интегральном операционном усилителе, вход которого соединен с шунтом, вы ход масштабного усилителя соединен входом вольтодобавочного преобразователя, к которому также подключена средняя точка задающего потенциомет . ра, при этом вольтодобавочный преобразователь выполнен в биде усилит ля рассогласования, установленного на входе преобразователя, а выход усилителя рассогласования подключен через резистор к одному из входов широтно-импульсного модулятора, выполненного на операционном усилителе, к другому входу которого через резистор подключена средняя точка первого делителя напряжения, соединенного с выходом генератора пилообразного напряжения низкой частоты а выход широтно-импульсного модулятора соединен со вторым делителем напряжения, средняя точка которого соединена с базой первого транзистора, в коллекторную цепь которого включены последовательно токоограничивающий резистор и светодиод onT электронного ключа, выход которого через третий делитель напряжения соединен с базой второго транзистора, коллектор которого через четвер тый делитель напряжения соединен с базой третьего транзистора, в коллекторную цепь которого включен предварительный усилитель вольтодобавочного преобразователя, вход которого соединен с вторичной обмотко трансформатора задающего генератора высокой частоты, а выход предварительного усилителя соединен с входо оконечного усилителя вольтодобавочного преобразователя. В устройство для питания нагрузки постоянным током входят источник 1 постоянного тока (например бензоэлектрический агрегат), нагрузка 2, включенная параллельно источнику 1 тока, щелочная аккумуляторная батарея 3, подключаемая на нагрузку при понижении (или отсутствии) напряжения источника 1, вольтодобавочный преобразователь 4 напряжения, выход которого включен .последовательно с (ИСТОЧНИКОМ 1 постоянного тока в качестве вольтодобавочного источника тока при заряде аккумуляторной батареи 3, реле 5 напряжения, переключающее режим работы системы (работа на нагрузку - заряд батареи), шунт 6,используемый в качестве датчика тока, с которого снимается сигнал обратной связи, масштабный усилитель 7,используемый,в качестве усилителя малого сигнала, снимаемого с шунта б, генератор 8 пилообразного напряжения низкой частоты, используемый для широтно-импульсной модуляции управляющего сигнала, задающий генератор 9 высокой частоты, определяющий рабочую частоту вольтодобавочного преобразователя 4 и одновременно служащий источником питания для схемы управления работой вольтодобавочного преобразователя, предварительный усилитель 10, вход.которого соединен со вторичной обмоткой трансформатора задающего генератора 9 высокой частоты, оконечный усилитель 11, вход которого соединен с выходом предварительного усилителя 10, а выход подключен последовательно с источником 1 тока в цепь заряда аккумуляторной батареи 3(операционный усилитель 12 масштабного усилителя 7, потенциометр 13, используемый дЛя задания требуемой величины опорного напряжения , усилитель 14 рассогласования, используемый для усиления сигнала разности напряжений (опорного и снимаемого с выхода масштабного усилителя) , резисторы 15 и 16, делитель напряжения 17 и 18, операционный усилитель 19, используемый-в качестве широтно-импульсного модулятора, делители 20 и 21 напряжения, транзистор 22, резистор 23, светодиод 24, оптоэлектронный ключ 25, делители 26 и 27 напряжения, транзистор 28, Делители 29 и 30 напряжения, транзистор 31, резисторы 32, используемые в качестве низкоомных датчиков тока. Схема работает следующим образом. При нормальной работе источник 1 постоянного тока подключен на нагрузку 2 и, последовательно с выходом Больтодобавочного преобразователя 4, на заряд аккумуляторной батареи 3. Реле 5 напряжения подключено на клеммы генератора источника 1 постоянного тока. Напряжение питания подается к вольтодобавочному преобразователю 4 от источника 1 постоянного тока через замыкающий контакт реле 5. Размыкающий контакт реле 5 напряжения подключает аккумуляторную батарею 3 к нагрузке 2 при переключении с заряда в работу на нагрузку. При снижении напряжения на клеммах источника 1 тока ниже допустимого

предела или при отключении источника 1 тока, реле 5 напряжения обесточивается и своим замыкающим контактом размыкает цепь питания вольтодобавочного преобразователя 4 напряжения а своим размыкающим контактом подключает аккумуляторную батарею 3 на нагрузку. При повышении напряжения источника 1 тока реле 5 срабатывает и нагрузка 2 автоматически переключает на питание от источника 1 постоянного тока, при этом автоматически восстанавливается цепь заряда батареи 3 Сигнал обратной связи снимается с шунта 6 и поступает на вход масштабного усилителя 7, где он после усреднения на входном фильтре усиливается. Введение в схему устройства масштабного усилителя обеспечивает возможность сравнения больших напряжений на входе вольтодобавочного преобразователя, в результате чего повьпиается -точность автоматического поддержания требуемой величины зарядного тока, так .как относительная погрешность при увеличении сравнив-аемых напряжений уменьшается.

Величина коэффициента усиления масштабного усилителя зависит только от соотношения сопротивлений резисторов, входящих в масштабный усилитель

По- мере заряда батареи 3 величина тока, протекающего через шунт 6, стремится уменьшиться, при этом стремится увеличиться усиленное напряжение на выходе масштабного усилителя 7, где оно сравнивается с опорным напряжением, заданным с помощью задающего потенциометра 13, а их разность усиливается усилителем 14 рассогласования, в результате,, по мере заряда батареи, на выходе усилителя 14 рассогласования уровень . напряжения все более снижается по отношению к напряжению на выходе генератора 8 пилообразного напряжения низкой частоты. Напряжение с выхода усилителя 14 рассогласования и с выхода генератора пилообразного напряжения никой частоты подаются на вход широтно-импульсного модулятора, выполненного на операционном усилителе 19. Модулятором разность напряжений преобразуется в прямоугольные импульсы, ширина которых пропорци-. ональна этой разности, т.е. осуществляется широтно-импульсная модуляция, при этом скважность импульсов может -изменяться в пределах от нуля до единицы. Прямоугольные импульсы . усиливаются транзистором 22, оптоэлектронньог- ключом 25, транзистором 28 и пбступают на вход клЕпча, выполненногс на транзисторе 31, который с частотой пилообразного напряжения и с длительностью импульсов, подаваемых широтно-импульсным модулятором подключает питание к ,предварительному усилителю 10, а так как-частота генератора 8 пилообразного напЕ яжения низкой частоты значительно ниже частоты задающего генератора 9 Е-:Л-сокой частоты и не превышает coTeii Терц, то напряжение на выходах npt; ; варительного и оконечного усилитеЗ;ей формируется в виде пачек импульсор. Частота импульсов в пачке равна частоте зад ающего i-энератора, а частота самих пачек равна частоте пилообразнего напряжения. По мере уве;;ичения степени заряженности аккумуляторной батареи длительность(ширина) пачек увеличивается, в результ-ате чего среднее значение выпрямленного напряжения на выходе вольтодобавоч-ного преобразователя 4 возрастает и за счет этого величина зарядного -тока поддерживается постоянной. Дляj устранения несимметрии силового каскада преобразователя, возникающей из-за однос ороннего насьидения сердечника выходного трансформатора, используется Напряжение, снимаемое с низкбомных резисторов 32, которое подводится к задающему генератору 9 высокой частоты и используется для изменения длительности полупериодоп, что полностью устраняет постоянную составляющую намагничивающих ампер,витков силового трансформатора оконечного усилителя 11 и вызываемые ею потери. Оптоэлектронный ключ 25 предназначен для развязки схем по питанию, при этом исключается также влияние работы оконечного-усилителя 11 на работу масштабного усилителя 7

Таким образом, в результате того, что напряжение на выходе вольтодобавочного преобразователя формируется в виде пачек импульсов, потери энергии, связанные с перемагничиванием сердечников трансформаторов, а так) потери энергии в силовых транзисторах, связа шыц v:: временем рассасывания избыто гных носителей в области базы этик транзисторов, уменьшаются, так как в промежутке между, пачками импульсов пр дварительный н оконечный усилители не работают, в результате чего появляется возможность в начале и в середине цикла заряда аккумуляторной батареи (когда пауза мелэду пачками импульсов относительно большая) отбирать от источника постоянного тока высвободиво уюся за счет этого энергию на другие нужды; так как управление вольтодобавочным преобразователем 4 производится на низкой часготе,: равной частоте пилообразного напряжения, то это позволяет при сохранении высокой рабочей частоты вольтодоОавочного преобразователя 4 полностью избавиться от влияния суммарного запаздывания в управляющей части схема вольтодобавочного преоб

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПИТАНИЯ НАГРУЗКИ ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ, содержащее аккумуляторную батарею, источник постоянного тока, вольтодобавочный преобразова тель напряжения с обратной связью по току заряда и с выпрямителем на выходе, включенный последовательно с источником постоянного тока в цепь заряда аккумуляторной батареи, шунт, включенный в цепь заряда аккумуляторной батареи, реле напряжения, подключенное к источнику постоянного тока, причем замыкающие контакты реле включены в цепь питания вольтодобавочного преобразователя, отличающееся тем, что, с целью уменьшения габаритов и веса устройства, в него введен масштабный усилитель, выполненный на интегральном операционном усилителе, вход которого соединен с шунтом, а выход соединен с входом вольтодобавочного преобразователя, при этом вольтодобавочный преобразователь выполнен в виде усилителя рассогласования, один из входов которого соединен с выходом масшгабного усилителя, а другой вход соединен со средней точкой задающего потенциометра, а выход усилителя рассогласования соединен через резистор с одним из входов широтно-импульсного модулятора, выполненного ria операционном усилителе, к другому входу которого через резистор подключена (Л средняя точка первого делителя напряжения, соединенного с выходом генератора пилообразного напряжения низкой частоты, а выход широтно-импульсного модулятора соединен со вторым делителем напряжения, средняя точка которого соединена с базой первого транзистора, в коллекторную цепь которого включены последовательно токоограничивающий резистор и светодиод оптоэлектронйого ключа, а выход оптоэлектронного ключа через третий делитель напряжения соединен с базой второго транзистора, коллектор которого через четвертый делитель напряжения соединен с базой третьего транзистора, в коллекторную цепь которого включен предварительный усилитель вольтодобавочного преобразователя, вход которого соединен со вторичной обмоткой трансформатора задающего генератора высокой частоты, а выход соединен с входом оконечного усилителя вольтодобавочного пре.образователя.