Устройство для питания нагрузки постоянным током

 

Использование: в составе автономных систем электроснабжения для питания потребителей от электрохимических источников постоянного тока (ЭХИТ). Сущность изобретения: устройство содержит n последовательно включенных ЭХИТ с отводами, дроссели, диоды, транзисторы, соединенные с общими точками источников, и блок управления. Для транзистора, два диода и дроссель на каждую пару последовательно соединенных друг с другом ЭХИТ подключены по схеме LDT-трехполюсника и обеспечивают выравнивание остаточных емкостей соответствующих пар ЭХИТ. Шесть транзисторов, два диода и дроссель для первого и N-го ЭХИТ подключены по схеме LDT-четырехполюсника, предназначенного для выравнивания остаточных емкостей первого и последнего источников. 4 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 электрохимических источников - аккумуляторных батарей (АБ), соединенных согласно-последовательно [1, 2]. Для коммутации АБ используются полупроводниковые ключи.

К недостаткам этих устройств следует отнести различное использование АБ по емкости, низкие энергетические показатели.

Известна система электропитания (СЭП), содержащая основную АБ, две дополнительные АБ, полярно-инвертирующий преобразователь с конденсаторным фильтром, двухполюсный коммутатор [3] . В данной СЭП повышена равномерность использования энергии дополнительных АБ за счет их соответствующей коммутации в заданных режимах работы СЭП.

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 равномерность энергопотребления между основной и дополнительными АБ, что обуславливает достаточно низкие энергетические показатели СЭП.

Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности является устройство для питания нагрузки постоянным током, содержащее последовательно включенные электрохимические источники тока (АБ) с отводами, дроссели, диоды и транзисторы, соединенные с общими точками АБ [4]. 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 ПИК, 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 исполнении включает датчик напряжения нагрузки, выход которого соединен с одним входом элемента сравнения, другой вход которого подключен к источнику опорного напряжения, а выход через пороговый элемент связан с широтно-импульсным модулятором (ШИМ).

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 АБ. Отмеченный недостаток не может быть устранен ни режимными средствами, ни за счет усложнения аппаратной 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.

Для этого 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. Другой полюс образован точкой соединений катода первого диода и змиттера 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 другого источника. Анод первого диода, коллектор первого транзистора, катод второго диода и эмиттер второго транзистора соединены друг с другом и вторым выводом дросселя. Отводы первого и n-го источников подключены к LDT-четырехполюснику, включающему дроссель, два диода и шесть транзисторов. Один из полюсов LDT-четырехполюсника образован анодом первого диода, соединенного с коллектором первого транзистора, и связан с отрицательным отводом первого источника. Другой полюс образован точкой соединения эмиттера второго транзистора и коллектора третьего транзистора и связан с положительным отводом первого источника. Третий полюс образован точкой соединения эмиттера четвертого транзистора и коллектора пятого транзистора и связан с отрицательным отводом n-го источника. Четвертый полюс образован эмиттером шестого транзистора, соединенного с катодом второго диода, и связан с положительным отводом n-го источника. Эмиттер первого транзистора, катод первого диода, анод второго диода и коллектор шестого транзистора соединены с первым выводом дросселя. Коллектор второго транзистора, эмиттер третьего транзистора, коллектор четвертого транзистора и эмиттер пятого транзистора соединены с вторым выводом дросселя. Блок управления входами подключен к точкам соединения источников, положительному отводу первого источника и отрицательному отводу n-го источника.

Блок управления выполнен в виде совокупности n датчиков напряжения (ДН) по числу источников, n элементов сравнения (ЭС), n пороговых элементов (ПЭ), n ШИМ. Входы блока управления образованы входами ДН, каждый из которых подключен к одному из источников. Выходы каждой пары последовательно соединенных ДН, а также первого и n-го ДН подключены к входам ЭС, выходы которых через ПЭ соединены с входами ШИМ. Первый и второй выходы n-1 ШИМ подключены к эмиттер-базовому переходу первого транзистора LDT-трехполюсников, а третий и четвертый его выходы соединены с эмиттер-базовым переходом второго транзистора LDT-трехполюсников. Первый и второй выходы n-го ШИМ подключены к эмиттер-базовому переходу первого и второго транзисторов LDT-четырехполюсника, третий и четвертый выходы - к эмиттер-базовому переходу пятого и шестого транзисторов. Пятый и шестой выходы этого ШИМ подключены к эмиттер-базовому переходу четвертого транзистора, а седьмой и восьмой выходы - к эмиттер-базовому переходу третьего транзистора LDT-четырехполюсника. 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 выходу источника опорного напряжения. Выходы первого и второго ОУ образуют второй и третий выходы ПЭ. n-1 ШИМ выполнены 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 отрицательной клемме. Выходы третьего, четвертого, пятого и шестого ЭК образуют третий, первый, четвертый и второй выходы ШИМ соответственно.

n-й ШИМ выполнен на основе трех ОУ, ЗГ, ГЛИН, десяти управляемых ЭК, четырех схем И и двух схем НЕ. 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 последнего 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 входом первой схемы НЕ, четвертым и шестым ЭК. Выход третьего ОУ через вторую схему И, соединенную другим входом с вторым входом ШИМ и другим входом первого ЭК, подключен к входу второй схемы НЕ и к третьему и пятому ЭК. Через третью схему И, соединенную другим входом с выходом первой схемы НЕ, выход третьего ОУ подключен к седьмому и десятому ЭК, а через четвертую схему И, соединенную другим входом с выходом второй схемы НЕ, подключен к восьмому и девятому ЭК. Вторые входы третьего, седьмого, девятого и шестого ЭК соединены с положительной клеммой дополнительного источника постоянного напряжения. Вторые входы четвертого, восьмого, десятого и пятого ЭК подключены к его отрицательной клемме. Выходы третьего, четвертого, пятого, шестого, седьмого, восьмого, девятого и десятого ЭК образуют третий, второй, четвертый, первый, пятый, восьмой, седьмой и шестой 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 изобретения и положительным эффектом. Это обеспечивает существенные отличия изобретения от всех известных устройств аналогичного назначения.

На фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема силовой части устройства с n электрохимическими источниками постоянного тока (ЭХИТ); на фиг. 2 представлены функциональные электрические схемы n-1 ПЭ и n-1 ШИМ; на фиг.3 - функциональные электрические схемы n-го ПЭ и n-го ШИМ.

Устройство для питания нагрузки постоянным током содержит (фиг.1) последовательно соединенные ЭХИТ 1_i (i = 1, ..., n), LDT-трехполюсники 2_j (j = 1, ..., n-1), LDT-четырехполюсник 3, блок 4 управления. Каждая пара соединенных друг с другом ЭХИТ 1_i подключена к LDT-трехполюснику 2_j, включающему дроссель 5_j, два диода 6_j, 7_j и два транзистора 8_j, 9_j. Один из полюсов LDT-трехполюсника 2_j образован первым выводом дросселя 5_j и связан с общей точкой ЭХИТ 1_i. Второй полюс образован точкой соединения катода первого диода 6_j и эмиттера первого транзистора 8_j и подключен к положительному отводу одного из ЭХИТ 1_i. Третий полюс образован точкой соединения анода второго диода 7_j и коллектора второго транзистора 9_j и подключен к отрицательному отводу другого ЭХИТ 1_i. Анод первого диода 6_j, коллектор первого транзистора 8_j, катод второго диода 7_j и эмиттер второго транзистора 9_j cоединены друг с другом и вторым выводом дросселя 5_j. Отводы первого и n-го ЭХИТ 1_i подключены к LDT-четырехполюснику 3, включающему дроссель 10, два диода 11, 12 и шесть транзисторов 13, 14, 15, 16, 17, 18. Один из полюсов LDT-четырехполюсника 3 образован анодом первого диода 11, соединенного с коллектором первого транзистора 13, и связан с отрицательным отводом первого ЭХИТ 1₁. Второй полюс образован точкой соединения эмиттера второго транзистора 14 и коллектора третьего транзистора 15 и связан с положительным отводом первого ЭХИТ 1₁. Третий полюс образован точкой соединения эмиттера четвертого транзистора 16 и коллектора пятого транзистора 17 и связан с отрицательным отводом n-го ЭХИТ 1n. Четвертый полюс образован эмиттером шестого транзистора 18, соединенного с катодом второго диода 12, и связан с положительным отводом n-го ЭХИТ 1_n. Эмиттер первого транзистора 13, катод первого диода 11, анод второго диода 12 и коллектор шестого транзистора 18 соединены с первым выводом дросселя 10. Коллектор второго транзистора 14, эмиттер третьего транзистора 15, коллектор четвертого транзистора 16 и эмиттер пятого транзистора 17 соединены с вторым выводом дросселя 10. Блок 4 управления входами подключен к точкам соединения ЭХИТ 1_i, положительному отводу первого ЭХИТ 11 и отрицательному отводу n-го ЭХИТ 1n. Выходы ШИМ 19_i (i = 1, ..., n-1) соединены с эмиттер-базовыми цепями транзисторов 8_j и 9_j LDT-трехполюсников 2_j. Выходы ШИМ 19_n соединены с эмиттер-базовыми цепями транзисторов 13, 14, 15, 16, 17 и 18 LDT-четырехполюсника 3. К клеммам каждого ЭХИТ 1_i подключен ДН 20_i (i = 1, ..., n). Выходы каждой пары соединенных друг с другом ДН 20₁ и 20₂, 20₂ и 20₃ (20_i и 20_i+1), а также выходы ДН 20₁ и 20_n подключены к входам ЭС 21_i (i = 1, ..., n), выход которого через ПЭ 22_i подсоединен к входу ШИМ 19_i (i = 1, ..., n). Cоответствующие клеммы первого и последнего ЭХИТ 1₁ и 1_n подключаются через силовые контакты 23₁ и 23₂ контактора (на фигурах не изображен) непосредственно к нагрузке 24 или зарядному устройству 25.

ПЭ 22 входными клеммами 26 (фиг.2) связан с ЭС 21 и с общей корпусной шиной. С этой же шиной связан источник опорного напряжения (на фигурах не показан), выходные клеммы 27 которого подключены к ПЭ 22, а именно к входящим в его состав ОУ 28 и 29. Выходы этих ОУ, а также общая точка прямого входа ОУ 28, инверсного входа ОУ 29 и выхода ПЭ 22 образуют входные цепи ШИМ 19. В состав ШИМ 19_i (i = 1, ..., n-1) включены неинвертирующий 30 и инвертирующий 31 ОУ, имеющие по одному входу и предназначенные для работы в режиме вычитания входных сигналов, выходы которых через ЭК 32 и 33 объединены друг с другом и подключены к прямому входу ОУ 34, также предназначенному для работы в режиме вычитания. Второй инверсный вход этого ОУ связан с выходом ГЛИН 35, входом подключенного к ЗГ 36. Выход ОУ 34 через схемы И 37 и 38, соединенные также с выходами ОУ 28 и 29, связан с ЭК 39, 40, 41, 42, предназначенными для формирования управляющих импульсов для транзисторов 8_j и 9_j c помощью дополнительного источника постоянного напряжения (на фигурах не показан).

В состав ШИМ 19_n (фиг.3) по сравнению с ШИМ 19_i (i = 1, ..., n-1) дополнительно включены две схемы И 43, 44, две схемы НЕ 45, 46 и четыре ЭК 47, 48, 49, 50. Схема И 43, соединенная входами с выходом ОУ 34 и выходом схемы НЕ 45, связанной входом с выходом схемы И 37, выходом связана с ЭК 47 и 49. Схема И 44, соединенная входами с выходом ОУ 34 и выходом схемы НЕ 46, связанной входом с выходом схемы И 38, выходом связана с ЭК 48 и 50. ЭК 39, 40, 41, 42, 47, 48, 49, 50 предназначены для формирования управляющих импульсов для транзисторов 13, 14, 15, 16, 17, 18, входящих в LDT-четырехполюсник 3, с помощью дополнительного источника постоянного напряжения (на фигурах не показан).

Работа устройства при подключенном зарядном устройстве 25 или нагрузке 24 аналогична. Поэтому в качестве примера рассмотрим работу устройства при подключенной нагрузке 24.

Пусть в исходном состоянии ЭХИТ 1₁ разряжен более, чем ЭХИТ 1₂. При этом выходное напряжение U₁ ЭХИТ 1₁ меньше, чем U₂ ЭХИТ 1₂. Сигналы, пропорциональные напряжениям ЭХИТ 1₁ и 1₂ с ДН 20₁ и 20₂ поступают в ЭС 21₁, с выхода которого разностный сигнал U_раз подается на вход ПЭ 22₁, т.е.

U_раз = U₂ - U₁.

На выходе ПЭ 22₁ формируется сигнал ΔU соответствующей полярности и поступает в ШИМ 19₁, причем ΔU = | U_раз |- U_оп, где U_оп - величина опорного напряжения ПЭ, U_раз - разность напряжений двух соседних ЭХИТ.

В данном случае полярность сигнала на выходе ПЭ 22₁ такова, что выходной сигнал ШИМ 19₁ открывает транзистор 9₁ и подтверждает закрытое состояние транзистора 8₁. Дроссель 5₁ начинает накапливать электромагнитную энергию по цепи: "плюс" ЭХИТ 1₂ - дроссель 5₁ - эмиттер-коллекторный переход транзистора 9₁ - "минус" ЭХИТ 1₂. После закрытия транзистора 9₁ полярность напряжения на зажимах дросселя 5₁ изменяется на противоположную, открывается диод 6₁ и накопленная ранее в дросселе 5₁ электромагнитная энергия по цепи: дроссель 5₁ - диод 6₁ - ЭХИТ 1₁ - дроссель 5₁ поступает в более разряженный ЭХИТ 1₁, подзаряжая его. Через определенное число тактов работы устройства напряжения ЭХИТ 1₁ и 1₂ сравняются. Если более разряженным оказывается ЭХИТ 1₂ (напряжение ЭХИТ 1₂ меньше напряжения ЭХИТ 11), процессы протекают аналогично. На выходе ПЭ 22₁ формируется сигнал противоположной полярности, благодаря чему сигнал с выхода ШИМ 19₁ управляет состоянием транзистора 8₁ и подтверждает закрытое состояние транзистора 9₁. В течение открытого состояния транзистора 8₁ в дросселе 5₁ накапливается электромагнитная энергия по цепи: "плюс" ЭХИТ 1₁ - эмиттер-коллекторный переход транзистора 8₁ - дроссель 5₁ - "минус" ЭХИТ 1₁. После закрытия транзистора 8₁ полярность напряжения на зажимах дросселя 5₁ изменяется на противоположную, открывается диод 7₁ и накопленная ранее в дросселе 5₁ энергия по цепи: дроссель 5₁ - ЭХИТ 1₂ - диод 7₁ - дроссель 5₁ поступает в более разряженный ЭХИТ 1₂, подзаряжая его. Через определенное число тактов работы устройства напряжения ЭХИТ 1₁ и 1₂ сравниваются. В случае различной разряженности ЭХИТ 1₂ и 1₃ устройство работает аналогично с использованием ДН 20₂ и 20₃, ЭС 21₂, ПЭ 22₂, ШИМ 19₂ и LDT-трехполюсника 2₂.

Для выравнивания напряжений ЭХИТ 1₁ и 1_n U₁ и U_n используются ДН 20₁ и 20_n, ЭС 21_n, ПЭ 22_n, ШИМ 19_n и LDT-четырехполюсник 3. Пусть в исходном состоянии ЭХИТ 1₁ разряжен более, чем ЭХИТ 1_n. При этом выходное напряжение U₁ ЭХИТ 1₁ меньше, чем U_n ЭХИТ 1_n. Сигналы, пропорциональные напряжениям ЭХИТ 1₁ и 1_n c ДН 20₁ и 20_n поступают в ЭС 21_n, c выхода которого разностный сигнал U_раз подается на вход ПЭ 22_n. На выходе ПЭ 22_n формируется сигнал ΔU соответствующий полярности и поступает в ШИМ 19_n. В данном случае полярность сигнала на выходе ПЭ 22_n такова, что выходной сигнал ШИМ 19_n открывает транзисторы 17 и 18 и подтверждает закрытое состояние транзисторов 13 и 14. Дроссель 10 начинает накапливать электромагнитную энергию по цепи: "плюс" ЭХИТ 1_n - эмиттер-коллекторный переход транзистора 18 - дроссель 10 - эмиттер-коллекторный переход транзистора 17 - "минус" ЭХИТ 1_n. После закрытия транзисторов 17 и 18 полярность напряжения на зажимах дросселя 10 изменяется на противоположную, открываются транзистор 15, диод 11 и накопленная ранее в дросселе 10 электромагнитная энергия по цепи: дроссель 10 - эмиттер-коллекторный переход транзистора 15 - ЭХИТ 1₁ - диод 1₁ - дроссель 10 поступает в более разряженный ЭХИТ 1₁, подзаряжая его. Через определенное число тактов работы устройства напряжения ЭХИТ 1₁ и 1_n сравниваются. Если более разряженным оказывается ЭХИТ 1_n (напряжение ЭХИТ 1_n меньше напряжения ЭХИТ 1₁), процессы протекают аналогично. На выходе ПЭ 22_n формируется сигнал противоположной полярности, благодаря чему сигнал с выхода ШИМ 19_n управляет состоянием транзисторов 13, 14 и подтверждает закрытое состояние транзисторов 17, 18. В течение открытого состояния транзисторов 13, 14 в дросселе 10 накапливается электромагнитная энергия по цепи: "плюс" ЭХИТ 1₁ - эмиттер-коллекторный переход транзистора 14 - дроссель 10 - эмиттер-коллекторный переход транзистора 13 - "минус" ЭХИТ 1₁. После закрытия транзисторов 13 и 14 полярность напряжения на зажимах дросселя 10 изменяется на противоположную, открываются диод 12, транзистор 16 и накопленная ранее в дросселе 10 энергия по цепи: дроссель 10 - диод 12 - ЭХИТ 1_n - эмиттер-коллекторный переход транзистора 16 - дроссель 10 поступает в более разряженный ЭХИТ 1_n, подзаряжая его. Через определенное число тактов работы устройства напряжения ЭХИТ 1₁ и ЭХИТ 1_n сравниваются. Выравнивание напряжений ЭХИТ 1₁ и 1_n необходимо, так как в случае | U_раз| < <U хотя бы у нескольких пар ЭХИТ возможно неконтролируемое увеличение разности напряжений U_раз у ЭХИТ, не имеющих общих точек. Эта разность может быть тем больше, чем дальше друг от друга расположены ЭХИТ и достигать наибольших значений между напряжениями ЭХИТ 1₁ и 1_n.

ПЭ 22₁, . .., 22_n-1 и ШИМ 19₁, ..., 19_n-1 работают следующим образом. Пусть входной сигнал U_раз ПЭ, поступающий на клеммы 26, имеет положительную полярность. С клемм 26 он подается на прямые входы ОУ 28, 30 и инверсные входы ОУ 29, 31. Если уровень входного сигнала U_раз меньше уровня опорного напряжения U_оп, поступающего с клемм 27 на инверсный вход ОУ 28 и прямой вход ОУ 29, на выходах ОУ 28, 29 и входах схем И 37, 38 сигналы отсутствуют, ЭК 32, 33 закрыты и ШИМ не работает. Когда уровень входного сигнала ПЭ становится выше уровня опорного напряжения, на выходе ОУ 28 формируется сигнал, открывающий ЭК 32 и подготавливающий схему И 38 по ее первому входу к формированию выходного сигнала. При этом выходной сигнал ОУ 29 становится более отрицательным и не изменяет состояние ЭК 33 и схемы И 37. Входной сигнал ПЭ, усиленный в ОУ 30, через открытый ЭК 32 поступает на один вход ОУ 34, на другой вход которого подается линейно изменяющийся сигнал с ГЛИН 35. Выходной сигнал ОУ 34 поступает на вторые входы элементов И 37, 38, на выходе схемы И 38 формируется сигнал, открывающий ЭК 39, 41, в результате чего формируется управляющий сигнал, открывающий транзистор 9_j (j = (1, ..., n-1) c помощью дополнительного источника постоянного напряжения. Длительность открытого состояния ЭК 39, 41 определяется уровнем входного сигнала ПЭ. ЭК 39, 41 закрываются, отключая эмиттер-базовую цепь транзистора 9_j от источника, когда уровень напряжения на выходе ГЛИН 35 сравняется с уровнем напряжения на выходе ЭК 32.

Пусть входной сигнал ПЭ имеет отрицательную полярность. Если уровень входного сигнала (по абсолютной величине) меньше уровня опорного напряжения, на выходах ОУ 28, 29, схем И 37, 38 сигнал отсутствует, ЭК 32, 33 закрыты и ШИМ не работает. Когда уровень сигнала ПЭ (по абсолютной величине) становится выше опорного напряжения, на выходе ОУ 29 формируется сигнал, открывающий ЭК 33 и подготавливающий схему И 37 по ее первому входу к формированию выходного сигнала. При этом выходной сигнал ОУ 28 становится более отрицательным и не изменяет состояния ЭК 32 и схемы И 38. Входной сигнал ПЭ усиливается и инвертируется в ОУ 31 и через открытый ЭК 33 поступает на один вход ОУ 34, на другой вход которого подается линейно изменяющийся сигнал с выхода ГЛИН 35. Выходной сигнал ОУ 34 поступает на вторые входы схем И 37, 38, на выходе схемы И 37 формируется сигнал, открывающий ЭК 40, 42, в результате чего открывается транзистор 8_j (j = 1, ..., n-1). Длительность открытого состояния ЭК 40, 42 определяется уровнем входного сигнала ПЭ, что позволяет, как и в первом случае, обеспечить динамическое перераспределение мощности между соседними ЭХИТ в зависимости от величины их разности напряжений.

ПЭ 22_n и ШИМ 19n (фиг.3) работают следующим образом. Пусть входной сигнал U_раз ПЭ 22_n, поступающий на клеммы 26, имеет положительную полярность. С клеммы 26 он подается на прямые входы ОУ 28, 30 и инверсные входы ОУ 29, 31. Если уровень входного сигнала U_раз меньше уровня опорного напряжения U_оп, поступающего с клемм 27 на инверсный вход ОУ 28 и прямой вход ОУ 29, на выходах ОУ 28, 29 и входах схем И 37, 38 сигналы отсутствуют, ЭК 32, 33 закрыты и ШИМ не работает. Когда уровень входного сигнала ПЭ 22n становится выше уровня опорного напряжения U_оп, на выходе ОУ 28 формируется сигнал, открывающий ЭК 32 и подготавливающий схему И 38 по первому входу к формированию выходного сигнала. При этом выходной сигнал ОУ 29 становится более отрицательным и не изменяет состояние ЭК 33 и схемы И 37. Входной сигнал ПЭ 22_n, усиленный в ОУ 30, через открытый ЭК 32 поступает на один вход ОУ 34, на другой вход которого подается линейно изменяющийся сигнал с ГЛИН 35. Выходной сигнал ОУ 34 поступает на вторые входы схем И 37, 38 и на первые входы схем И 43, 44. На выходе схемы И 38 формируется сигнал, открывающий ЭК 39, 41, в результате чего формируется управляющий сигнал, открывающий транзисторы 17, 18 с помощью дополнительного источника постоянного напряжения. Длительность открытого состояния ЭК 39, 41 определяется уровнем входного сигнала ПЭ 22_n. ЭК 39, 41 закрываются, отключая эмиттер-базовую цепь транзисторов 17, 18 от источника, когда уровень напряжения на выходе ГЛИН 35 сравняется с уровнем напряжения на выходе ЭК 32. В этот момент со схемы НЕ 46 поступает сигнал на второй вход схемы И 44. На выходе схемы И 44 формируется сигнал, открывающий ЭК 48, 50, в результате чего формируется управляющий сигнал, открывающий транзистор 15. ЭК 48, 50 закрываются, отключая эмиттер-базовую цепь транзистора 15 от источника, когда появляется сигнал на выходе схемы И 38.

Пусть входной сигнал ПЭ 22_n имеет отрицательную полярность. Если уровень входного сигнала (по абсолютной величине) меньше уровня опорного напряжения, на выходах ОУ 28, 29, схем И 37 и 38 сигнал отсутствует, ЭК 32, 33 закрыты и ШИМ 19_n не работает. Когда уровень сигнала ПЭ 22_n (по абсолютной величине) становится выше опорного напряжения, на выходе ОУ 29 формируется сигнал, открывающий ЭК 33 и подготавливающий схему И 37 по ее первому входу к формированию выходного сигнала. При этом выходной сигнал ОУ 28 становится более отрицательным и не изменяет состояния ЭК 32 и схемы И 38. Входной сигнал ПЭ усиливается и инвертируется в ОУ 31 и через открытый ЭК 33 поступает на один вход ОУ 34, на другой вход которого подается линейно изменяющийся сигнал с выхода ГЛИН 35. Выходной сигнал ОУ 34 поступает на вторые входы схем И 37, 38 и на первые входы схем И 43, 44. На выходе схемы И 37 формируется сигнал, открывающий ЭК 40, 42, в результате чего открываются транзисторы 13, 14. Длительность открытого состояния ЭК 40, 42 определяется уровнем входного сигнала ПЭ 22_n. ЭК 40, 42 закрываются, отключая эмиттер-базовую цепь транзисторов 13, 14 от источника, когда уровень напряжения на выходе ГЛИН 35 сравняется с уровнем напряжения на выходе ЭК 33. В этот момент со схемы НЕ 45 поступает сигнал на второй вход схемы И 43. На выходе схемы И 43 формируется сигнал, открывающий ЭК 47, 49, в результате чего формируется управляющий сигнал, открывающий транзистор 16. ЭК 47, 49 закрываются, отключая эмиттер-базовую цепь транзистора 16 от источника, когда появится сигнал на выходе схемы И 37.

Положительный эффект, достигаемый отличительными признаками изобретения, заключается в повышении энергетических показателей устройства для питания нагрузки постоянным током путем выравнивания напряжений ЭХИТ, а следовательнло, исключения их разброса по емкости. Рассмотрим это на примере с АБ. 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 АБ этот фактор приобретает еще большее значение. Отличительными признаками изобретение обеспечивает исключение увеличения разброса по емкости аккумуляторов вследствие последовательного соединения нескольких АБ, а в том случае, если LDT-трехполюсники подключить ко всем аккумуляторам каждой АБ, 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 АБ обеспечивает 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 другого источника, причем анод первого диода, коллектор первого транзистора, катод второго диода и эмиттер второго транзистора соединены друг с другом и вторым выводом дросселя, отводы первого и n-го источников подключены к LDT-четырехполюснику, включающему дроссель, два диода и шесть транзисторов, один из полюсов LDT-четырехполюсника образован анодом первого диода, соединенного с коллектором первого транзистора, и связан с отрицательным отводом первого источника, второй полюс образован точкой соединения эмиттера второго транзистора и коллектора третьего транзистора и связан с положительным отводом первого источника, третий полюс образован точкой соединения эмиттера четвертого транзистора и коллектора пятого транзистора и связан с отрицательным отводом n-го источника, четвертый полюс образован эмиттером шестого транзистора, соединенного с катодом второго диода, и связан с положительным отводом n-го источника, эмиттер первого транзистора, катод первого диода, анод второго диода и коллектор шестого транзистора соединены с первым выводом дросселя, коллектор второго транзистора, эмиттер третьего транзистора, коллектор четвертого транзистора и эмиттер пятого транзистора соединены с вторым выводом дросселя, а блок управления своими входами подключен к точкам соединения источников, положительному отводу первого источника и отрицательному отводу n-го источника.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок управления выполнен в виде совокупности n датчиков напряжения по числу источников, n элементов сравнения, n пороговых элементов, n широтно-импульсных модуляторов, при этом входы блока управления образованы входами датчиков напряжения, каждый из которых подключен к одному из источников, выходы каждой пары последовательно соединенных датчиков напряжения, а также первого и n-го датчиков подключены к входам элементов сравнения, выходы которых через пороговые элементы соединены с входами широтно-импульсных модуляторов, первый и второй выходы n-1 модуляторов подключены к эмиттер-базовому переходу первого транзистора LDT-трехполюсников, а третий и четвертый его выходы соединены с эмиттер-базовым переходом второго транзистора LDT-трехполюсников, первый и второй выходы n-го модулятора подключены к эмиттер-базовому переходу первого и второго транзисторов LDT-четырехполюсника, третий и четвертый выходы подключены к эмиттер-базовому переходу пятого и шестого транзисторов, пятый и шестой выходы этого модулятора подключены к эмиттер-базовому переходу четвертого транзистора, а седьмой и восьмой выходы подключены к эмиттер-базовому переходу третьего транзистора LDT-четырехполюсника.

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 n-1 широтно-импульсных модуляторов выполнены 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 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, 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.

5. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что n-й широтно-импульсный модулятор выполнен на основе трех операционных усилителей, задающего генератора, генератора линейно изменяющегося напряжения, десяти управляемых электронных ключей, четырех схем И и двух схем НЕ, 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 входом первой схемы НЕ, четвертым и шестым электронными ключами, через вторую схему И, соединенную другим входом и вторым входом широтно-импульсного модулятора и другим входом первого электронного ключа, подключен к входу второй схемы НЕ и к третьему и пятому электронным ключам, через третью схему И, соединенную другим входом с выходом первой схемы НЕ, подключен к седьмому и десятому электронным ключам, через четвертую схему И, соединенную другим входом и выходом второй схемы НЕ, подключен к восьмому и девятому электронным ключам, при этом вторые входы третьего, седьмого, девятого и шестого электронных ключей соединены с положительной клеммой дополнительного источника постоянного напряжения, а вторые входы четвертого, восьмого, десятого и пятого электронных ключей подключены к его отрицательной клемме, выходы третьего, четвертого, пятого, шестого, седьмого, восьмого, девятого и десятого электронных ключей образуют третий, второй, четвертый, пятый, восьмой, седьмой и шестой выходы широтно-импульсного модулятора соответственно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3