Устройство для питания нагрузки постоянным током

 

Использование: изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в составе автономных систем электроснабжения с электрохимическими источниками тока (ЭХИТ). Сущность изобретения: устройство содержит два и более последовательно включенные электрохимических источника постоянного тока с отводами, дроссели, диоды, транзисторы, соединенные с общими точками источников, и блок управления этими транзисторами. Устройство контролирует напряжение ЭХИТ и обеспечивает выравнивание их напряжений, исключая из разброс по емкости. 3 з.п.ф-лы, 6 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 электрохимических источников - аакумуляторных 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 и заданных режимов 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 обусловливает 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 диода 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.

Функционирование устройства обеспечивается блоком управления, выходами связанным с управляющими входами транзисторов. В типовом варианте блок управления содержит датчик напряжения, выходом подключенный к одному входу элемента сравнения, второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, а выход через пороговый элемент связан с широтно-импульсным модулятором.

Недостаком 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, содержащем n последовательно включенных электрохимических ИПТ, дроссели, диоды и транзисторы, соединенные с общими точками источников, блок управления, выходами связанный с управляющими входами транзисторов, изменены связи между элементами.

В частности, положительная клемма первого источника подключена к эмиттеру первого транзистора и катоду первого диода, каждая общая точка предыдущего и последующего источников соединена с первым выводом соответствующего номеру пары дросселем, второй вывод которого подключен к аноду предыдущего диода и коллектору предыдущего транзистора, а также к катоду последующего диода и эмиттеру последующего транзистора, при этом отрицательная клемма последующего источника подключена к коллектору последнего транзистора и аноду последнего диода, а блок управления входами подключен к клеммам источников.

Блок управления выполнен в виде совокупности датчиков напряжения по числу источников, n-1 пороговых элементов, n-1 элементов сравнения, n-1 широтно-импульсных модуляторов. 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 входом широтно-импульсного модулятора (ШИМ). Первый и второй выходы ШИМ подключены к эмиттер-базовому переходу предыдущего транзистора, а третий и четвертый его выходы соединены с эмиттер-базовым переходом последующего транзистора. ПЭ выполнен на основе двух операционных усилителей (ОУ). Прямой вход первого ОУ и инверсный вход второго ОУ оразуют вход ПЭ, соединенный с выходом ЭС, и его первый выход. Инверсный вход первого ОУ и прямой вход второго ОУ подключены к выходу 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 этого ОУ связан с выходом ГЛИН, который входом подключен к задающему генератору. 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 электронным ключам. Вторые входы третьего и четвертого ЭК соединены с положительной клеммой дополнительного источника постоянного напряжения, вторые входы пятого и шестого электронных ключей подключены к отрицательной клемме этого источника. Выходы третьего, четвертого, пятого и шестого электронных ключей образуют третий, первый, четвертый и второй выходы ШИМ соответственно.

Снабжение устройства для питания нагрузки постоянным током, описанным 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.3-6 представлены схемы устройства, поясняющие принцип его работы.

Устройство для питания нагрузки постоянным током содержит (см. фиг.1) последовательно соединенные аккумуляторные батареи 1-3. Положительная клемма первого источника АБ1 подключена к эмиттеру первого транзистора 4 и катоду первого диода 5. Общая точка первой пары источников АБ1 и АБ2 соединена с первым выводом первого дросселя 6, второй вывод которого подключен к аноду предыдущего диода 5 и коллектору предыдущего транзистора 4, а также к катоду последующего диода 7 и эмиттеру последующего транзистора 8. Общая точка второй пары источников АБ2 и АБ3 соединена с первым выводом второго дросселя 9, второй вывод которого подключен к аноду предыдущего диода 7 и коллектору предыдущего транзистора 8, а также к катоду последующего диода 10 и эмиттеру последующего транзистора 11. Отрицательная клемма последнего источника АБ3 подключена к коллектору последнего транзистора 11 и аноду последнего диода 10. К клеммам каждой АБ1, АБ2, АБ3 подключен датчик 12-14 напряжения. Причем выходы каждой пары соединенных друг с другом ДН 12 и 13 (13 и 14) подключены к входу элемента сравнения (ЭС) 15 (16), выход которого через пороговый элемент ПЭ 17 (18) подсоединен к входу широтно-импульсного модулятора ШИМ 19 (20). Элементы 12-20 образуют блок управления транзисторами.

Соответствующие клеммы первой АБ1 и последней АБ3 подклчаются через силовые контакты 21 и 22 переключателя (на схеме не изображен) или непосредственно к нагрузке 23 или к зарядному устройству 24.

Пороговый элемент 17 (18) входными клеммами 25 (см. фиг.2) связан с элементом сравнения 15 (16) с общей корпусной шиной. С этой же шиной связан источник опорного напряжения (на схеме не показан), выходные клемы 26 которого подключены к пороговому элементу 17 (18), а именно к входящим в его состав операционным усилителем 27 и 28. Выходы этих ОУ, а также общая точка прямого входа ОУ 27, инверсного входа ОУ 28 и выхода ПЭ 17 образуют входные цепи ШИМ 19. В состав ШИМ 19 включены неинвертирующий 20 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 предназначенные 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 4 и 8 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 АБ1 и АБ3 разряжены более, чем АБ2. При этом выходное напряжение U_АБ1 батареи 1, U_АБ3 батареи 3 меньше, чем батареи 2. Сигналы, пропорциональные напряжениям батарей 1 и 2, 2 и 3, с датчиков 12-14 напряжения, поступают в элементы 15, 16 сравнения, с выхода которых разностный сигнал U_раз1, U_раз2 подается на вход ПЭ 17, 18. На выходе ПУ 17, 18 формируется сигнал ΔU соответствующей полярности и поступает в ШИМ 19, 20, ΔU определяется следующим выражением: ΔU = |U_раз| - U_оп, Uраз = U_АБ2 - U_АБ1, U_раз' = U_АБ2 - U_АБ3, где U_оп - величина опорного напряжения порогового элемента; U_раз, U_раз' - разность величин напряжений двух соседних батарей.

В данном случае полярность сигнала на выходе ПЭ 17 такова, что выходной сигнал ШИМ 19 открывает транзистор 8 и подтверждает закрытое состояние транзистора 4. Полярность сигнала на выходе ПЭ 18 такова, что выходной сигнал ШИМ 20 также открывает транзистор 8 и подтверждает закрытое состояние транзистора 11. Дроссели 6 и 9 начинают накапливать электромагнитную энергию (см. фиг.3) по цепи "плюс" АБ2 - дроссель 6 - коллектор-эмиттерный переход транзистора 8 - дроссель 9 - "минус" АБ2. После закрытия транзистора 8 (см. фиг.4) полярность напряжения на зажимах дросселей 6 и 9 изменяется на противоположную, открывая диоды 5 и 10, и накопленная ранее в дросселях 6 и 9 электромагнитная энергия по двум цепям поступает в более разряженные батареи 1 и 3, подзаряжая их. Первая цепь - дроссель 6 - диод 5 - АБ1 - дроссель 6. Вторая цепь - дроссель 9 - АБ3 - диод 10 - дроссель 9.

Рассмотрим работу устройства для случая U_АБ3 > U_АБ2 > U_АБ1 (см. фиг.5 и 6). Сигналы, пропорциональные напряжениям батарей 1 и 2, 2 и 3, с датчиков 12-14 напряжения поступают в элементы 15, 16 сравнения, с выхода которых разностный сигнал U_раз1, U_раз2 подается на входы ПЭ 17, 18. На выходах ПЭ 17, 18 формируется сигнал соответствующей полярности и поступает в ШИМ 19, 20. В данном случае полярность сигнала на выходе ПЭ 17, 18 такова, что выходной сигнал с ШИМ 19 открывает транзистор 8 и подтверждает закрытое состояние транзистора 4, а выходной сигнал с ШИМ 20 открывает транзистор 11. Дроссели 6 и 9 начинают накапливать электромагнитную энергию (фиг.5) по цепям. Первая цепь: плюс АБ2 - дроссель 6 - коллектор-эмиттерный переход транзисторов 8 и 11 - минус АБ3. Вторая цепь: плюс АБ2 - дроссель 6 - коллектор-эмиттерный переход транзистора 8 - дроссель 9 - минус АБ2. Третья цепь: плюс АБ3 - дроссель 9 - коллектор-эмиттерный переход транзистора 11 - минус АБ3. После закрытия транзисторов 8, 11 (фиг.6) полярность напряжения на зажимах дросселей 6 и 9 изменяется на противоположную, открывая диоды 7 и 5, и накопленная электромагнитная энергия по трем цепям поступает в более разряженные АБ2, АБ1. Первая цепь: дроссель 6 - диод 5 - АБ1 - дроссель 6. Вторая цепь: дроссель 9 - диод 7 - диод 5 - АБ1 - АБ2 - дроссель 9. Третья цепь: дроссель 9 - диод 7 - дроссель 6 - АБ2 - дроссель 9. Через определенное число тактов работы устройства напряжения АБ1, АБ2 и АБ3 сравняются. Поскольку устройство обеспечивает одинаковое разрядное напряжение, а следовательно, и одинаковую разряженность каждых двух соединенных друг с другом АБ1 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 17 и ШИМ 19 работают следующим образом. Пусть входной сигнал U_раз ПЭ, поступающий на клеммы 25, имеет положителную полярность. С клемм 25 он подается на прямые входы ОУ 27, 29 и инверсные входы ОУ 28, 30. Если уровень входного сигнала меньше уровня опорного напряжения - Uоп, 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 37 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 37 формируется сигнал, открывающий ЭК 38, 40, в результате чего формируется управляющий сигнал, открывающий транзистор 8 с помощью дополнительного источника постоянного напряжения. Длительность открытого состояния ЭК 38, 40 определяется уровнем выходного сигнала ПЭ. ЭК 38 закроется, отключив эмиттер-базовую цепь транзистора 8 от источника, когда уровень напряжения на выходе ГЛИН 34 сравняется с уровнем напряжения на выходе ЭК 31.

Пусть выходной 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 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 4. 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.

Положительный эффект, достигаемый отличительными признаками заявляемого изобретения, заключается в повышении энергетических показателей устройства для питания нагрузки постоянным током путем выравнивания напряжений 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. Изобретение обеспечивает исключение увеличения разброса по емкости аккумуляторов вследствие последовательного соединения нескольких батарей, а в том случае, если данное устройство 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 оцениваются 0,1...0,6 кг. В то время как увеличение глубины разряда и переход к аккумуляторам меньше типоразмера при одном и том же запасе 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 источника 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, положительная клемма первого источника подключена к эмиттеру первого транзистора и катоду первого диода, каждая общая точка предыдущего и последующего источников соединена с первым выводом соответствующего номеру пары дросселем, второй вывод которого подключен к аноду предыдущего диода и коллектору предыдущего транзистора, а также к катоду последующего диода и эмиттеру последующего транзистора, при этом отрицательная клемма последнего источника подключена к коллектору последнего транзистора и аноду последнего диода, 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, выходы которого через пороговый элемент соединен с входом широтно-импульсного модулятора, первый и второй выходы которого подключены к эмиттер-базовому переходу предыдущего транзистора, а третий и четвертый его выходы соединены с эмиттер-базовым переходом последующего транзистора.

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, выходы 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 задающего 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 другим входом 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, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6