Устройство для питания нагрузки постоянным током

 

Использование: в автономных системах электроснабжения с электрохимическими источниками тока. Сущность изобретения: устройство содержит основной источник и вольтодобавочный с отводами. К отводам вольтодобавочного источника через управляемые блоком контроля напряжения и управления ключи коммутируется LCD ячейка. В исходном состоянии нагрузка питается суммарным напряжением основного и вольтодобавочного источников. При повышении токопотребления сигналом с блока контроля LCD ячейка через ключ подключается к одному выводу вольтодобавочного источника. В дросселе ячейки накапливается энергия, которая через конденсатор ячейки передается в нагрузку. 1 з.п. ф-лы, 1 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 основной и вольтодобавочный (с отводами) электрохимические источники - аккумуляторы, соединенные согласно последовательно [1]-[3].

Для коммутации элементов вольтодобавочного источника используются ячейки с полупроводниковыми ключами. К общим недостаткам этих устройств следует отнести большое количество последовательно соединенных элементов в источниках.

Наиболее близким к предложенному является устройство для питания нагрузки постоянным током, в состав которого, кроме основного и вольтодобавочного источников (ОИ и ВДИ), включены блок контроля напряжения и управления (БКНУ), блокирующие диоды, транзисторные ключи и трехполюсные LCD-ячейки по числу элементов ВДИ [3]. Первый полюс этой ячейки образуют катоды двух диодов и вывод одной из обкладок конденсатора, второй полюс - анод первого диода, вывод другой - обкладки конденсатора и вывод обмотки дросселя, а третий полюс - точка подключения анода второго диода и другой вывод обмотки дросселя. Первый полюс ячейки, подключенной к элементу ВДИ, связанному с ОИ, образует положительный вывод устройства и через сопротивление нагрузки подключен к отрицательной клемме ОИ. Катоды блокирующих диодов соединены с отводами от ВДИ, а аноды - с третьими полюсами LCD-ячеек, вторые полюса которых через транзисторные ключи связаны с элементами ВДИ. Первые диоды указанных ячеек соединены последовательно друг с другом и через дополнительный транзисторный ключ - с положительным выводом ОИ. В устройстве по мере возрастания энергопотребления и (или) уменьшения напряжения ОИ в процессе разряда по сигналам с БКНУ для компенсации снижения выходного напряжения производится последовательное подключение в цепь нагрузки элементов ВДИ и задействование преобразователей напряжения, построенных на основе транзисторных ключей и LCD-ячеек. Выходное напряжение преобразователей суммируется с напряжением ОИ и ВДИ.

Известное устройство имеет следующие недостатки.

Для обеспечения любых графиков энергопотребления, в том числе и таких, в которых преобладают пиковые токопотребления с малой продолжительностью, т.е. когда средний уровень энергопотребления незначительно превышает постоянный (основной) уровень потребляемой мощности, компенсация падения напряжения на внутреннем сопротивлении производится только за счет добавления к ОИ элементов ВДИ. Это приводит к усложнению устройства вследствие увеличения суммарного количества элементов СИ и ВДИ.

Кроме того, в процессе преобразования электроэнергии от каждого элемента ВДИ используются отдельные индуктивные и емкостные накопители, работающие совместно с транзисторными ключами как своего, так и других преобразователей. Это существенно усложняет тракт электромагнитного преобразования энергии и устройства в целом. Приведенные обстоятельства обуславливают ухудшение его технико-экономических показателей.

К недостаткам известного устройства следует отнести и большое количество последовательно включенных диодов (по числу элементов ВДИ), что снижает величину выходного напряжения устройства.

Целью изобретения является улучшение технико-экономических показателей устройства путем его упрощения.

Это достигается тем, что в устройстве для питания нагрузки постоянным током, содержащем ОИ и ВДИ с отводами, ВКНУ, блокирующие диоды, катоды которых подключены к отводам от ВДИ, транзисторные ключи по числу элементов этого источника, трехполюсную LCD-ячейку, первый полюс которой образуют катоды двух диодов и вывод одной из обкладок конденсатора, второй полюс - анод первого диода, вывод другой обкладки конденсатора и вывод обмотки дросселя, а третий полюс - точка подключения анода второго диода и другой вывод обмотки дросселя, при этом первый полюс ячейки образует положительный вывод устройства и через сопротивление нагрузки подключен к отрицательной клемме ОИ, введены новые связи, а именно: аноды блокирующих диодов подключены к эмиттерам транзисторов ключей, коллекторы которых соединены с третьим полюсом LCD-ячейки, вторым полюсом связанной с положительным выводом ВДИ. В цепь устройства между третьим полюсом и анодом второго диода может быть включен транзисторный ключ.

На чертеже представлена принципиальная электрическая схема силовой части устройства с тремя вольтодобавочными элементами.

Это устройство содержит ОИ 1, ВДИ 2 с элементами 3-5, блокирующие диоды 6-8, катоды которых подключены к отводам от ВДИ 2, а аноды - к эмиттерам транзисторов 9-11 ключей. Трехполюсная LCD-ячейка 12 включает линейный дроссель 13, конденсатор 14 и два диода 15 и 16. Первый полюс ячейки 12 образуют катоды диодов 15 и 16 и вывод одной из обкладок конденсатора 14, второй полюс - анод диода 15, вывод другой обкладки конденсатора 14 и вывод обмотки дросселя 13, а третий полюс - точка подключения анода диода 16 и другой вывод обмотки дросселя 13. Первый полюс ячейки 12 образует положительный вывод устройства и через сопротивление нагрузки 17 подключен к отрицательной клемме ОИ 1.

Коллекторы транзисторов 9-11 соединены с третьим полюсом ячейки 12, второй полюс которой связан с положительной клеммой ВДИ 2. Элементы этого источника соединены согласно-последовательно с ОИ 1. Для исключения влияния тока от ОИ 1 и ВДИ 2 на процесс накопления энергии в дросселе при работе транзисторов 9-11 в состав устройства может быть включен транзисторный ключ 18. Управление работой транзисторных ключей 9-11 и 18 производится с помощью ВКНУ 19 (цепи управления на чертеже не показаны).

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии нагрузка 17 питается суммарным напряжением от ОИ 1 и ВДИ 2 через диод 15. Транзисторы 9,10,11 и 18 закрыты, ток через дроссель 13 не протекает, конденсатор 14 заряжен до величины падения напряжения на открытом диоде 15. При повышении токопотребления для компенсации снижения выходного напряжения устройства модулированный сигнал с БКНУ 19 подается на транзистор 9. При открытом состоянии этого транзистора от элемента 3 ВДИ 2 через дроссель 13 протекает линейно возрастающий ток и в дросселе 13 запасается энергия. После того, как транзистор 9 закрывается, дроссель 13 отдает энергию в конденсатор 14 через диод 16 и транзистор 18, управление которым производится в противофазе по отношению к транзистору 9. В установившемся режиме среднее напряжение на конденсаторе 14 устанавливается постоянным и зависит от коэффициента заполнения импульсов управления. Если этот коэффициент равен 0,5, то напряжение на конденсаторе 14 равно напряжению элемента 3. Диод 15 под действием напряжения на конденсаторе 14 закрывается и в цепь питания нагрузки включается постоянно подзаряжаемый конденсатор 14, повышая выходное напряжение устройства.

При дальнейшем увеличении токопотребления транзистор 9 закрывается, а модулированные импульсы управления подаются на транзистор 10, а затем - на транзистор 11. Дроссель в этих случаях заряжается соответственно от элементов 3 и 4 или 3,4 и 5. Если коэффициент заполнения импульсов управления равен 0,5, то при работе транзисторов 9-11 напряжение на конденсаторе соответственно равно разрядным напряжениям одного, двух и трех элементов. Блокирующие диоды 6-8 исключают возможность образования короткозамкнутых цепей для элементов 3-5 при открытых транзисторах 9-11.

Положительный эффект, достигаемый предложенным устройством заключается в улучшении технико-экономических показателей устройства для питания нагрузки постоянным током путем его упрощения. Это обусловлено тем, что в устройстве расширены функции, выполняемые индуктивными и емкостными накопителями энергии. Это позволило более рационально организовать связи между этими элементами и транзисторными ключами и упростить преобразовательную часть устройства за счет уменьшения количества элементов электрической схемы. Расширение функциональных возможностей элементов ВДИ, а именно: совмещение ими функций обеспечения как пиковых уровней, так и основного уровня энергопотребления, позволяет уменьшить суммарное количество элементов ОИ и ВДИ и тем самым также упростить устройство. Уменьшение количества элементов в преобразовательной части устройства, а также в ОИ и ВДИ обеспечивает снижение стоимости, повышение надежности и улучшение других технико-экономических показателей. В устройстве возможно также снижение массовых показателей за счет уменьшения количества радиаторов, так как транзисторы всех ключей, имеющие общую точку подключения коллекторов, могут быть установлены на один радиатор.

Наибольший эффект при применении устройства достигается при неравномерных графиках энергопотребления, в которых преобладают пиковые токопотребления малой продолжительности, когда средний уровень энергопотребления незначительно превышает постоянный (основной) уровень потребляемой мощности, а глубина разряда, например, в цепях увеличения эксплуатационного ресурса, ограничена.

В устройстве компенсации падения напряжения при пиковом энергопотреблении достигается при том же общем количестве элементов ОИ и ВДИ, что и для обеспечения основного уровня энергопотребления а, следовательно, при меньшей суммарной массе источников и лучших показателях. При необходимости обеспечения пиковых потреблений с мощностью, в несколько раз превышающей основную, число ключевых транзисторов может быть соответственно увеличено до суммарного количества элементов ОИ и ВДИ.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПИТАНИЯ НАГРУЗКИ ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ, содержащее включенные согласно последовательно основной и вольтодобавочный с отводами источники, блок контроля напряжения и управления, блокирующие диоды, катоды которых подключены к отводам от вольтодобавочного источника, транзисторные ключи по числу элементов этого источника, трехполюсную LCD-ячейку, первый полюс которой образуют катоды двух диодов и вывод одной из обкладок конденсатора, второй полюс - анод первого диода, вывод другой обкладки конденсатора и вывод обмотки дросселя, а третий полюс - точка подключения анода второго диода и другой вывод обмотки дросселя, при этом первый полюс ячейки образует положительный вывод устройства, отрицательный вывод которого соединен с отрицательной клеммой основного источника, отличающееся тем, что, с целью улучшения технико-экономических показателей путем упрощения устройства, аноды блокирующих диодов подключены к эмиттерам транзисторных ключей, коллекторы которых соединены с третьим полюсом LCD-ячейки, вторым полюсом связанной с положительным выводом вольтодобавочного источника.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в цепь между третьим полюсом и анодом второго диода включен транзисторный ключ.

РИСУНКИ

Рисунок 1