Устройство для питания нагрузки постоянным током

 

Использование: в составе автономных систем электроснабжения с n последовательно включенными электрохимическими источниками тока (ХИТ). Сущность изобретения: каждая пара соединенных друг с другом источников подключена к LDT-трехполюснику, включающему дроссель, два диода и два транзистора. Транзисторы трехполюсника управляются блоком управления, включающим широтно-импульсные модуляторы, датчики напряжения ХИТ, элементы сравнения и пороговые элементы. Устройство обеспечивает одинаковое разрядное напряжение всех входящих в систему ХИТ. 3 з.п.ф-лы. 3 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к автономным системам электроснабжения постоянным током, в которых в качестве источников используются электрохимические источники тока.

Известны устройства для питания нагрузки постоянным током, содержащие два и более электротехнических источников - аккумуляторных батарей (АБ), соединенных согласно-последовательно [1,2]. Для коммутации АБ используются полупроводниковые ключи. К общим недостаткам этих устройств следует отнести различное использование аккумуляторных батарей по емкости, низкие энергетические показатели этих устройств.

Известна система электропитания (СЭП) [3], содержащая основную аккумуляторную батарею и две дополнительные АБ, полярно-инвертирующий преобразователь с конденсаторным фильтром, двухполюсный коммутатор. В данной СЭП повышена равномерность использования энергии дополнительных АБ за счет их соответствующей коммутации в заданных режимах работы устройства. Недостатком данной СЭП является то, что в случае достаточно большой продолжительности режима максимального энергопотребления, когда основная и дополнительные АБ включены согласно-последовательно, равномерность энергопотребления от дополнительных АБ вследствие технологического разброса их параметров не обеспечивается. Кроме того, в данной СЭП не обеспечивается и равномерность энергопотребления между основной и дополнительными батареями, что обуславливает достаточно низкие энергетические показатели данной СЭП.

Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности является устройство для питания нагрузки постоянным током [4], содержащее последовательно включенные электрохимические источники тока (аккумуляторные батареи) с отводами, дроссели, диоды и транзисторы, соединенные с общими точками АБ. Отрицательная клемма каждой из АБ, за исключением первой и второй, связана с катодом одного диода, анод которого подсоединен к входной отрицательной шине полярно-инвертирующего конвертора (ПИК), положительная входная шина которого подключена к положительной клемме этой же АБ. Каждый ПИК снабжен выходным конденсатором фильтра, параллельно которому включен другой диод, при этом положительная обкладка конденсатора подключена к его катоду. Диоды, подключенные к выходам ПИК, последовательно соединены друг с другом. Отрицательная клемма первой АБ через потребитель подсоединена к катоду и положительной обкладке конденсатора фильтра, включенным параллельно выходным шинам полярно-инвертирующего конвертора, входные шины которого связаны с одноименными клеммами второй АБ. Положительная клемма последней АБ через транзисторный ключ соединена с анодом диода, связанного с выходными шинами ПИК, входные шины которого подключены к этой же АБ. Количество элементов, входящих в каждую из батарей, может быть как равным, так и больше единицы.

Работа транзисторов в соответствующих режимах обеспечивается блоком управления, который в типовом пополнении включает датчик напряжения нагрузки, выход которого соединен с одним входом элемента сравнения, второй вход которого подключен к источнику опорного напряжения, а выход через пороговый элемент связан с широтно-имплуьсным модулятором.

Недостатком известного устройства являются его низкие энергетические показатели. Это обусловлено неравномерной отдачей емкости АБ вследствие различного энергопотребления от каждой из АБ или технологического разброса емкости циклирования батарей. Отмеченный недостаток не может быть устранен ни режимными средствами, ни за счет усложнения аппаратурной реализации, в частности проведения поэлементного контроля. Кроме того, неравномерность отдачи емкости АБ уменьшает срок эксплуатации АБ и устройства в целом.

Целью изобретения является повышение энергетических показателей путем выравнивания напряжения источников.

Цель достигается тем, что в известном устройстве для питания нагрузки постоянным током, содержащим n последовательно включенных электрохимических источников постоянного тока с отводами, дроссели, диоды и транзисторы, соединенные с общими точками источников, блок управления, выходом связанный с управляющими входами транзисторов, изменены связи между элементами.

В частности, каждая пара соединенных друг с другом источников подключена к LDT-трехполюснику, включающему дроссель, два диода и транзистора. Один из полюсов LDT-трехполюсника образован первым выводом дросселя и связан с общей точкой этих источников. Второй полюс образован точкой соединения катода первого диода и эмиттера первого транзистора и подключен к положительному отводу одного из источников. Третий полюс образован точкой соединения анода второго диода и коллектора второго транзистора и подключен к отрицательному отводу второго источника, при этом анод первого диода, коллектор первого транзистора, катод второго диода и эмиттер второго транзистора соединены друг с другом и с вторым выводом дросселя, а блок управления входами подключен к точкам соединения источников.

Блок управления выполнен в виде совокупности датчиков напряжения по числу источников, n-1 пороговых элементов, n-1 элементов сравнения и n-1 широтно-импульсных модуляторов. При этом входы блока управления (БУ) образованы входами датчиков напряжения (ДН), каждый из которых подсоединен к одному из источников. Выходы каждой пары последовательно соединенных ДН подключены к входам элемента сравнения (ЭС), выход которого через пороговый элемент (ПЭ) соединен с входами широтно-импульсного модулятора (ШИМ). Первый и второй выходы ШИМ подключены к эмиттер-базовому переходу первого транзистора LDT-трехполюсника. Третий и четвертый выходы ШИМ соединены с эмиттер-базовым переходом второго транзистора LDT-трехполюсника. ПЭ выполнен на основе двух операционных усилителей (ОУ). Прямой вход первого ОУ и инверсный вход второго ОУ образуют вход ПЭ, соединенный с выходом ЭС, и его первый выход. Инверсный вход первого ОУ и прямой вход второго ОУ подключены к входу источника опорного напряжения. Выходы первого и второго ОУ образуют второй и третий выходы ПЭ.

ШИМ выполнен на основе трех ОУ, задающего генератора (ЗГ), генератора линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН), шести управляемых электронных ключей (ЭК) и двух схем И. Первый вход ШИМ соединен с прямым входом первого и инверсным входом второго ОУ, выходы которых через первый и второй ЭК объединены друг с другом и подключены к прямому входу третьего ОУ. Инверсный вход третьего ОУ связан с выходом ГЛИН, входом подключенного к ЗГ. Выход третьего ОУ через первую схему И, соединенную другим входом с третьим входом ШИМ и другим входом второго ЭК, связан с четвертым и шестым ЭК, а через вторую схему И, соединенную другим входом с вторым входом ШИМ и другим входом первого ЭК, подключен к третьему и пятому ЭК. Вторые входы третьего и четвертого ЭК соединены с положительной клеммой дополнительного источника постоянного напряжения. Вторые входы пятого и шестого ЭК подключены к его его отрицательной клемме. Выходы третьего, четвертого, пятого и шестого ЭК образуют третий, первый, четвертый и второй выходы ШИМ соответственно.

Снабжение устройства для питания нагрузки постоянным током описанными выше новыми связями между его элементами, отличая заявленное устройство от прототипа, позволяет обеспечить выравнивание напряжений источников, в результате чего повышаются его энергетические показатели.

Отсутствие в технической и патентной литературе сведений (рекомендаций) по выполнению заявленного устройства в целях достижения описанного в заявке эффекта (результата) показывает новизну взаимосвязи между совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения и положительным эффектом. Это обеспечивает существенные отличия данного изобретения от всех известных устройств аналогичного назначения.

На фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема силовой части устройства с тремя АБ; на фиг.2 представлены функциональные электрические схемы порогового элемента и широтно-импульсного модулятора; на фиг.3 представлены графики изменений напряжений ГЛИН, порогового устройства, а также напряжений на эмиттер-коллекторных переходах транзисторов, дросселя и тока дросселя в зависимости от ΔU; ΔU определяются следующими выражениями: ΔU = | U_раз| - U_оп; U_раз = U_АБ2 - U_АБ1, где U_оп - величина опорного напряжения порогового элемента; U_раз - разность величин напряжений двух соседних батарей.

Устройство для питания нагрузки постоянным током содержит (см. фиг.1) последовательно соединенные АБ 1-3, LDT-трех- полюсники 4, 5, соединенные с общими точками АБ, блок 6 управления. Каждая пара соединенных друг с другом батарей 1 и 2 (2 и 3) подключена к LDT-трехполюснику 4 (5), включающему дроссель 7, два диода 8, 9 и транзисторы 10, 11. Один из полюсов LDT-трехполюсника 4 (5) образован первым выводом дросселя 7 и связан с общей точкой батарей 1 и 2 (2 и 3). Второй полюс образован точкой соединения катода первого диода 8 и эмиттера первого транзистора 10 и подключен к положительному отводу одной из АБ 1 (2). Третий полюс образован точкой соединения анода второго диода 9 и коллектора второго транзистора 11 и подключен к отрицательному отводу второй АБ 2 (3). При этом анод первого диода 8, коллектор первого транзистора 10, катод второго диода 9 и эмиттер второго транзистора 11 соединены друг с другом и с вторым выводом дросселя 7. Выходы ШИМ 12 (13) соединены с эмиттер-базовыми цепями транзисторов 10 и 11. К клеммам каждой АБ 1-3 подключен датчик напряжения 14-16. Причем выходы каждой пары соединенных друг с другом датчиков напряжения 14 и 15 (15 и 16) подключены к входам элемента сравнения 17 (18), выход которого через пороговый элемент 19 (20) подсоединен к входу ШИМ 12 (13).

Соответствующие клеммы первой и посльедней АБ подключаются через силовые контакты 21 и 22 контактора (на схеме не изображен) или непосредственно к нагрузке 23 или зарядному устройству 24.

Пороговый элемент 19 (20) входными клеммами 25 (см. фиг.2) связан с элементом сравнения 17 (18) и с общей корпусной шиной. С этой же шиной связан источник опорного напряжения (на схеме не показан), выходные клеммы 26 которого подключены к пороговому элементу 19 (20), а именно к входящим в его состав операционным усилителям (ОУ) 27 и 28. Выходы этих ОУ, а также общая точка прямого входа ОУ 27, инверсного входа ОУ 28 и выхода ПЭ 19 образуют входные цепи ШИМ 12. В состав ШИМ 12 включены неинвертирующий 29 и инвертирующий 30 ОУ, имеющие по одному входу и предназначенные для работы в режиме вычитания входных сигналов, выходы которых через электронные ключи (ЭК) 31 и 32 объединены друг с другом и подключены к прямому входу ОУ 33, также предназначенному для работы в режиме вычитания. Второй инверсный вход этого ОУ связан с выходом генератора линейно изменяющегося напряжения 34, входом подключенного к задающему генератору 35. Выход ОУ 33 через схемы И 36 и 37, соединенные также с выходами ОУ 27 и 28, связан с ЭК 38-41, предназначенными для формирования управляющих импульсов для транзисторов 10 и 11 с помощью дополнительного источника постоянного напряжения (на схеме не показан).

Работа устройства при подключенном зарядном устройстве 24 или нагрузке 23 аналогична. Поэтому в качестве примера рассмотрим работу устройства при подключенной нагрузке 23.

Устройство работает следующим образом. Пусть в исходном состоянии АБ 1 разряжена более, чем АБ 2. При этом выходное напряжение U_АБ1 батареи 1 меньше, чем батареи 2. Сигналы, пропорциональные напряжениям батарей 1 и 2, с датчиков 14 и 15 напряжения поступают в элемент 17 сравнения, с выхода которого разностный сигнал U_раз подается на вход ПЭ 19. На выходе ПЭ 19 формируется сигнал соответствующей полярности и поступает в ШИМ 12. В данном случае полярность сигнала на выходе ПЭ 19 такова, что выходной сигнал ШИМ 12 открывает транзистор 11 и подтверждает закрытое состояние транзистора 10. Дроссель 7 начинает накапливать электромагнитную энергию по цепи: "плюс" АБ 2 - дроссель 7 - коллектор-эмиттерный переход транзистора 11 - "минус" АБ 2. После закрытия транзистора 11 полярность напряжения на зажимах дросселя 7 изменяется на противоположную, открывается диод 8 и накопленная ранее в дросселе 7 электромагнитная энергия по цепи: дроссель 7 - диод 8 - АБ 1 - дроссель 7 - поступает в более разряженную батарею 1, подзаряжая ее. Через определенное число тактов работы устройства напряжения АБ 1 и 2 сравняются. В случае, если более разряженной окажется батарея 2 (направление батареи 2 меньше напряжения батареи 1), процессы будут протекать аналогично. На выходе ПЭ 19 сформируется сигнал противоположной полярности, благодаря чему сигнал с выхода ШИМ 12 будет управлять состоянием транзистора 10 и подтверждать закрытое состояние транзистора 11. В течение открытого состояния транзистора 10 в дросселе 7 будет накапливаться энергия по цепи: "плюс" батареи 1 - эмиттер-коллекторный переход транзистора 10 - дроссель 7 - "минус" батареи 2. После закрытия транзистора 10 полярность напряжения на зажимах дросселя 7 изменяется на противоположную, открывается диод 9 и накопленная ранее в дросселе 7 энергия по цепи: дроссель 7 - диод 9 - АБ 2 - дроссель 7 - поступает в более разряженную АБ 2, подзаряжая ее. Через определенное число тактов работы устройства напряжения АБ 1 и 2 сравниваются. В случае различной разряженности батарей 2 и 3 устройство работает аналогично с использованием датчиков 15, 16 напряжения, элемента 18 сравнения, ПЭ 20 и ШИМ 13. Поскольку устройство обеспечивает одинаковое разрядное напряжение, а следовательно, и одинаковую разряженность каждых двух соединенных друг с другом АБ 1 и 2, 2 и 3, то обеспечиваются одинаковые напряжения и разряженность всех АБ, т.е. батарей 1 и 2, 2 и 3, 1 и 3.

Пороговый элемент 19 и ШИМ 12 работают следующим образом.

Пусть входной сигнал U_раз ПЭ, поступающий на клеммы 25, имеет положительную полярность. С клемм 25 он подается на прямые входы ОУ 27, 29 и инверсные входы ОУ 28, 30. Если уровень входного сигнала меньше опорного напряжения - U_оп, поступающего с клемм 26 на инверсный вход ОУ 27 и прямой вход 28, на выходах ОУ 27, 28, элементов И 36, 37, сигналы отсутствуют, ЭК 31, 32 закрыты и ШИМ не работает. Когда уровень входного сигнала ПЭ становится выше уровня опорного напряжения, на выходе ОУ 27 формируется сигнал, открывающий ЭК 31 и подготавливающий элемент И 37 по его первому входу к формированию выходного сигнала. При этом выходной сигнал ОУ 28 становится более отрицательным и не изменяет состояния ЭК 32 и элемента И 36. Входной сигнал ПЭ, усиленный в ОУ 29, через открытый ЭК 31 поступает на один вход ОУ 33, на другой вход которого подается линейно изменяющийся сигнал с ГЛИН 34. Выходной сигнал ОУ 33 поступает на вторые входы элементов И 36, 37, на выходе элемента И 39 формируется сигнал, открывающий ЭК 39, 40, в результате чего формируется управляющий сигнал, открывающий транзистор 11 с помощью дополнительного источника постоянного напряжения. Длительность открытого состояния ЭК 38, 40 определяется уровнем входного сигнала ПЭ. ЭК 38, 40 закроются, отключив эмиттер-базовую цепь транзистора 11 от источника, когда уровень напряжения на выходе ГЛИН 34 сравняется с уровнем напряжения на выходе ЭК 31.

Пусть входной сигнал ПЭ имеет отрицательную полярность. Если уровень входного сигнала (по абсолютной величине) меньше уровня опорного напряжения, на выходах ОУ 27, 28, схем И 36, 37 сигнал отсутствует, ЭК 31, 32 закрыты и ШИМ не работает. Когда уровень сигнала ПЭ (по абсолютной величине) становится выше опорного напряжения, на выходе ОУ 28 формируется сигнал, открывающий ЭК 32 и подготавливающий элемент И 36 по его первому входу к формированию выходного сигнала. При этом выходной сигнал ОУ 27 становится более отрицательным и не изменяет состояния ЭК 31 и схемы И 37. Входной сигнал ПЭ усиливается и инвертируется в ОУ 30 и через открытый ЭК 32 поступает на один вход ОУ 33, на другой вход которого подается линейно изменяющийся сигнал с выхода ГЛИН 34. Выходной сигнал ОУ 33 поступает на вторые входы схем И 36, 37, на выходе элемента И 36 формируется сигнал, открывающий ЭК 39, 41, в результате чего открывается транзистор 10. Длительность открытого состояния ЭК 39, 41 определяется уровнем входного сигнала ПЭ, что позволяет, как и в первом случае, обеспечить динамическое перераспределение мощности между АБ в зависимости от величины их разности напряжений, что иллюстрируется представленными на фиг.3 графиками, для разных ΔU.

Положительный эффект, достигаемый отличительными признаками заявляемого изобретения, заключается в повышении энергетических показателей устройства для питания нагрузки постоянным током путем выравнивания напряжения АБ, а следовательно, исключения их разброса по емкости. Это обусловлено следующими обстоятельствами. Глубина разряда и заряда каждой из АБ ограничивается рядом факторов, из которых решающее значение имеет технологический разброс по емкости последовательно соединенных аккумуляторов при их изготовлении. Разброс аккумуляторов по емкости в процессе эксплуатации возрастает, что повышает вероятность их переполюсовки. При последовательном соединении нескольких батарей этот фактор приобретает еще большее значение. Отличительными признаками изобретение обеспечивает исключение увеличения разброса по емкости аккумуляторов вследствие последовательного соединения нескольких батарей, а в том случае, если LDT-трехполюсники подключить ко всем аккумуляторам каждой батареи, переполюсовка аккумуляторов практически исключается. Если в роли критерия качества рассматривать удельные энергетические показатели, которые определяют общую массу устройства, что общепринято для буферных АБ, входящих в состав систем электроснабжения автономных объектов, то дополнительная масса за счет включения в состав устройства маломощных, а следовательно, и имеющих незначительную массу полупроводниковых приборов и дросселей, оценивается 0,1...0,6 кг. В то время как увеличение глубины разряда и переход к аккумуляторам меньшего типоразмера при одном и том же запасе энергии в батарее обеспечит снижение общей массы системы на десятки и сотни килограммов в зависимости от типоразмера аккумуляторов.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПИТАНИЯ НАГРУЗКИ ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ, содержащее n последовательно включенных электрохимических источников постоянного тока с отводами, дроссели, диоды и транзисторы, соединенные с общими точками источников, блок управления, выходами связанный с управляющими входами транзисторов, отличающееся тем, что, с целью повышения энергетических показателей путем выравнивания напряжений источников, каждая пара соединенных друг с другом источников подключена к LDT-трехполюснику, включающему дроссель, два диода и два транзистора, один из полюсов LDT-трехполюсника образован первым выводом дросселя и связан с общей точкой этих источников, второй полюс образован точкой соединения катода первого диода и эмиттера первого транзистора и подключен к положительному отводу одного из источников, а третий полюс образован точкой соединения анода второго диода и коллектора второго транзистора и подключен к отрицательному отводу второго источника, при этом анод первого диода, коллектор первого транзистора, катод второго диода и эмиттер второго транзистора соединены друг с другом и вторым выводом дросселя, а блок управления входами подключен к клеммам источников.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок управления выполнен в виде совокупности датчиков напряжения по числу источников, n - 1 пороговых элементов, n - 1 элементов сравнения, n - 1 широтно-импульсных модуляторов, при этом входы блока управления образованы входами датчиков напряжения, каждый из которых подсоединен к одному из источников, выходы каждой пары последовательно соединенных датчиков напряжения подключены к входам элемента сравнения, выход которого через пороговый элемент соединен с входом широтно-импульсного модулятора, первый и второй выходы которого подключены к эмиттер-базовому переходу первого транзистора LDT-трехполюсника, а третий и четвертый его выходы соединены с эмиттер-базовым переходом второго транзистора LDT-трехполюсника.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что пороговый элемент выполнен на основе двух операционных усилителей, при этом прямой вход первого операционного усилителя и инверсный вход второго операционного усилителя образуют вход порогового элемента, соединенный с выходом элемента сравнения, и его первый выход, инверсный вход первого операционного усилителя и прямой вход второго операционного усилителя подключены к выходу источника опорного напряжения, выход первого и второго операционных усилителей образуют второй и третий выходы порогового элемента.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что широтно-импульсный модулятор выполнен на основе трех операционных усилителей, задающего генератора, генератора линейно изменяющегося напряжения, шести управляемых электронных ключей и двух схем И, при этом первый вход широтно-импульсного модулятора соединен с прямым входом первого и инверсным входом второго операционных усилителей, выходы которых через первый и второй электронные ключи объединены друг с другом и подключены к прямому входу третьего операционного усилителя, инверсный вход которого связан с выходом генератора линейно изменяющегося напряжения, входом подключенного к задающему генератору, выход третьего операционного усилителя через первую схему И, соединенную другим входом с третьим входом широтно-импульсного модулятора и другим входом второго электронного ключа, связан с четвертым и шестым электронными ключами, а через вторую схему И, соединенную другими входами с вторым входом широтно-импульсного модулятора и другим входом первого электронного ключа, подключен к третьему и пятому электронным ключам, при этом вторые входы третьего и четвертого электронных ключей соединены с положительной клеммой дополнительного источника постоянного напряжения, а вторые входы пятого и шестого электронных ключей подключены к его отрицательной клемме, выходы третьего, четвертого, пятого и шестого электронных ключей образуют третий, первый, четвертый и второй выходы широтно-импульсного модулятора соответственно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3