Источник вторичного электропитания

 

Изобретение относится к области электротехники, точнее к агрегатам резервного или бесперебойного питания сети постоянного тока, особенно работающей от нестабильных источников электроэнергии, мощность которых может меняться в широких пределах (ветро-, гидро-, фото- и т.п. электрические станции). Технический результат - расширение диапазона используемых мощностей нестабильного источника энергии, когда мощность источника ниже выбранной номинальной, что повышает коэффициент использования электроэнергии источника, а также в целом повышает надежность работы резервной (вторичной) системы питания. Для достижения указанного технического результата в источнике вторичного питания, содержащем снабженный индуктивно-емкостным фильтром импульсный преобразователь, выход которого подключен к нагрузке через разделительный диод, к аноду которого первым концом включена цепь заряда аккумуляторной батареи, аккумуляторную батарею с цепями заряда и разряда, которые коммутируются транзисторами, устройство управления коммутацией транзисторов цепей заряда и разряда, транзистор преобразователя, конденсатор, включенный параллельно нагрузке, а также датчики состояния питающей сети и нагрузки, фильтр импульсного преобразователя выполнен на основе трансформатора, первичная обмотка которого включена в цепь разряда, а вторичная обмотка - в цепь заряда последовательно с выходом сети, транзистором цепи заряда и разделительным диодом, при этом общая точка вторичной обмотки трансформатора и транзистора заряда через транзистор преобразователя подключена к общей отрицательной шине питания генератора, аккумулятора и нагрузки так, что вторичная обмотка трансформатора, при закрытом транзисторе цепи разряда, совместно с транзистором преобразователя, разделительным диодом и конденсатором образует повышающий импульсный преобразователь напряжения, а трансформатор совместно с транзистором цепи разряда, разделительным диодом и конденсатором, подключенными параллельно нагрузке, образует дополнительный широтно-импульсный обратноходовый однотактный преобразователь. 1 ил.

Изобретение относится к области электротехники, точнее к агрегатам резервного или бесперебойного питания сети постоянного тока, особенно работающей от нестабильных источников электроэнергии, мощность которых может меняться в широких пределах (ветро-, гидро-, фото- и т.п. электрические станции).

Известен источник вторичного электропитания, работающий от сети, мощность которой может меняться в достаточно широких пределах, и обеспечивающий бесперебойное питание, принятый за прототип (патент РФ 2161358, H 02 J 9/06), содержащий датчик состояния питающей сети, снабженный индуктивно-емкостным фильтром регулируемый (импульсный) преобразователь с транзистором, конденсатор, узел включения и выключения, цепь заряда аккумуляторной батареи и транзистор разряда аккумуляторной батареи, устройство управления переходом нагрузки с сети питания на аккумуляторную батарею и наоборот (устройство управления коммутацией транзисторов цепей заряда и разряда и транзистора преобразователя), выполненное на компараторах определения энергетического состояния преобразователя и аккумуляторной батареи, причем выход преобразователя подключен к нагрузке через разделительный диод, к аноду которого первым концом включена цепь заряда аккумуляторной батареи, состоящая из последовательно включенной части обмотки дросселя индуктивно-емкостного фильтра преобразователя и диода, параллельно которым включен конденсатор, второй конец цепи заряда аккумуляторной батареи через ограничительный резистор подключен к плюсовой клемме аккумуляторной батареи, транзистор разряда аккумуляторной батареи коллектором подключен к катоду разделительного диода, эмиттером - к плюсовой клемме аккумуляторной батареи, базовый выход транзистора подключен к компараторам определения энергетического состояния преобразователя и аккумуляторной батареи через ключ.

При большой мощности питающей сети, когда напряжение генератора выше, чем напряжение аккумуляторной батареи, нагрузка подключена к выходу преобразователя, транзистор цепи разряда закрыт, напряжение на нагрузке стабилизируется преобразователем, выходной ток преобразователя распределяется между током заряда аккумулятора и током нагрузки, чем больше становится мощность генератора, тем больший зарядный ток получает аккумулятор, тем самым оказывая влияние на выходную характеристику генератора, уменьшая его эдс при постоянном токе нагрузки. Таким образом избыточная энергия генератора накапливается в аккумуляторе и при этом не происходит перенапряжения на ключе преобразователя из-за снижения эдс генератора.

Существенным признаком прототипа, совпадающим с существенными признаками заявляемого изобретения, является наличие снабженного индуктивно-емкостным фильтром импульсного преобразователя, выход которого подключен к нагрузке через разделительный диод, к аноду которого первым концом включена цепь заряда аккумуляторной батареи, аккумуляторной батареи с цепями заряда и разряда, которые коммутируются транзисторами, устройства управления коммутацией транзисторов цепей заряда и разряда, транзистора преобразователя, конденсатора, включенного параллельно нагрузке, а также датчиков состояния питающей сети и нагрузки.

В источнике вторичного электропитания - прототипе передача мощности от сети к нагрузке происходит при колебаниях напряжения, как правило, в диапазоне от 140 вольт и выше, а при более низких мощностях питающей сети, например при значительном падении напряжения в сети, происходит переключение нагрузки с питающей сети на аккумулятор, что, во-первых, приводит к большему расходу энергии аккумулятора, а иногда и глубокому его разряду, а во-вторых, низкому кпд использования сетевых источников энергии, особенно возобновляемых - ветро-, гидро- и т.п. электростанций.

Предлагаемым техническим решением решается задача расширения диапазона используемых мощностей нестабильного источника энергии, когда мощность источника ниже выбранной номинальной, что повышает коэффициент использования электроэнергии источника, а также в целом повышает надежность работы резервной (вторичной) системы питания.

Для достижения указанного технического результата в источнике вторичного питания, содержащем снабженный индуктивно-емкостным фильтром импульсный преобразователь, выход которого подключен к нагрузке через разделительный диод, к аноду которого первым концом включена цепь заряда аккумуляторной батареи, аккумуляторную батарею с цепями заряда и разряда, которые коммутируются транзисторами, устройство управления коммутацией транзисторов цепей заряда и разряда, транзистор преобразователя, конденсатор, включенный параллельно нагрузке, а также датчики состояния питающей сети и нагрузки, фильтр импульсного преобразователя выполнен на основе трансформатора, первичная обмотка которого включена в цепь разряда, а вторичная обмотка - в цепь заряда последовательно с выходом сети, транзистором цепи заряда и разделительным диодом, при этом общая точка вторичной обмотки трансформатора и транзистора заряда через транзистор преобразователя подключена к общей отрицательной шине питания генератора, аккумулятора и нагрузки так, что вторичная обмотка трансформатора, при закрытом транзисторе цепи разряда, совместно с транзистором преобразователя, разделительным диодом и конденсатором образует повышающий импульсный преобразователь напряжения, а трансформатор совместно с транзистором цепи разряда, разделительным диодом и конденсатором, подключенными параллельно нагрузке, образует дополнительный широтно-импульсный обратноходовый однотактный преобразователь. При этом широтно-импульсный обратноходовый однотактный и повышающий преобразователи совместно с устройством управления коммутацией транзисторов и датчиками состояний образуют шим-стабилизаторы.

Отличительными признаками предлагаемого источника вторичного электропитания от известного (прототипа) являются: - выполнение фильтра импульсного преобразователя на основе трансформатора, первичная обмотка которого включена в цепь разряда, а вторичная обмотка - в цепь заряда последовательно с выходом сети, транзистором цепи заряда и разделительным диодом; - подключение общей точки вторичной обмотки и транзистора заряда через транзистор преобразователя к общей отрицательной шине питания генератора, аккумулятора и нагрузки так, что вторичная обмотка трансформатора, при закрытом транзисторе цепи разряда, совместно с транзистором преобразователя, разделительным диодом и конденсатором образует повышающий импульсный преобразователь напряжения; - образование трансформатором совместно с транзистором цепи разряда, разделительным диодом и конденсатором, подключенными параллельно нагрузке, дополнительного широтно-импульсного обратноходового однотактного преобразователя.

Благодаря наличию указанных отличительных признаков в совокупности с известными (указанными в ограничительной части формулы) достигается следующий технический результат - используется весь диапазон мощностей сети (вплоть до близких к нулю), т.е. при малых мощностях сети энергия с аккумулятора через введенный широтно-импульсный обратноходовый однотактный преобразователь передается в нагрузку, суммируясь с энергией источника, что повышает коэффициент использования энергии сетевого источника (кпд энергоустановки в случае ветро-, гидро- и т.п. электростанции), а также повышает надежность работы самой резервной системы питания за счет снижения вероятности полной разрядки аккумулятора.

В результате поиска по источникам патентной и научно-технической информации совокупность признаков, характеризующая предложенный источник вторичного электропитания, не была обнаружена. Таким образом, предлагаемый источник соответствует критерию охраноспособности "новое".

На основании сравнительного анализа предложенного источника вторичного питания с известным уровнем техники по источникам научно-технической и патентной литературы можно утверждать, что между совокупностью признаков, в том числе и отличительных, и выполняемых ими функций и достигаемых целей неочевидная причинно-следственная связь. На основании выше изложенного можно сделать вывод о том, что техническое решение в предложенном устройстве не следует явным образом из уровня техники и, следовательно, соответствует критерию охраноспособности "изобретательский уровень".

Предложенное техническое решение может найти применение в системах резервного или бесперебойного питания, таких как системы автоматики и т.п., где мощность приемников энергии невелика в сравнении с максимальной мощностью первичного источника энергии, а минимальная мощность первичного источника энергии превалирует во времени и не намного меньше мощности приемников. Особенно целесообразно его применение в сетях с автономным питанием от возобновляемых источников энергии (ветро, гидро, фото и т.д.).

Принципиальная схема предложенного источника вторичного электропитания приведена на чертеже.

Источник вторичного электропитания содержит генератор постоянного тока источника 1 (например, возобновляемой энергии, это может быть и синхронный генератор переменного тока с выпрямителем и емкостью), аккумулятор 2, разделительный диод 3, нагрузку 4, параллельно которой подключен конденсатор 5, транзистор преобразователя 6, транзистор цепи заряда 7, транзистор цепи разряда 8 (он же транзистор однотактного обратноходового шим-стабилизатора), датчик напряжения на нагрузке 9, датчик напряжения сети питания 10, а также коммутатор 11 и широтно-импульсный модулятор 12, реализующие устройство управления ключами 8, 7, 6, трансформатор 13, диод защиты 14 транзистора 7 от обратного напряжения.

Представленный на чертеже источник вторичного электропитания работает следующим образом.

Работу источника рассмотрим в 3-х режимах.

1. Режим большой мощности.

При этом датчик 10 вырабатывает сигнал, управляющий коммутатором 11 так, что транзистор 8 закрывается, первичная обмотка трансформатора 13 размыкается, трансформатор 13 выполняет роль дросселя, ключ 7 открывается, ключ 6 управляется импульсами широтно-импульсного модулятора 12, ширина импульсов его определяется ошибкой между заданным напряжением на нагрузке 4 (уровень стабилизации) и действующим напряжением на нагрузке 4. Так что при открытом ключе 7 и закрытом 8 элементы 13, 3, 6, 11, 12 реализуют однотактный повышающий шим-стабилизатор. Напряжение на нагрузке 4 поддерживается выше номинального напряжения аккумуляторной батареи 2 и поэтому средний ток этого преобразователя равен сумме тока нагрузки 4 и тока заряда. Чем выше мощность сети, тем больший ток заряда аккумуляторной батареи 2. Таким образом, в предложенной схеме в этом режиме реализуются все свойства схемы-прототипа.

2. Режим малой мощности.

Здесь мощности генератора 1 не хватает для поддержания заданного уровня стабилизации напряжения на нагрузке 4. При этом датчик 10 переводит коммутатор 11 в состояние, когда транзистор 6 закрывается. Транзисторы 8 и 7 работают в противофазах (если 8 открыт, 7 закрыт и наоборот). Тогда элементы 8, 13, 3, 12 и 11 образуют однотактный обратноходовый шим-стабилизатор. Когда открывается ключ 8, из аккумулятора 2 энергия передается в трансформатор 13, накапливаясь в нем, причем вторичная обмотка при этом отключена от источника 1 (транзисторы 7 и 6 закрыты). После закрывания транзистора 8 эдс вторичной обмотки трансформатора 13, суммируясь с эдс генератора 1, передается через разделительный диод 3 в нагрузку 4. В этом режиме вторичная обмотка трансформатора 13 играет роль вольт-добавки с регулируемой э.д.с. За счет противофазной работы транзисторов 7 и 8 не происходит закоротки первичной и вторичной обмоток трансформатора 13. Скважность управляющих импульсов транзистора 8, также определяясь модулятором 12, обеспечивает шим-стабилизацию напряжения на нагрузке 4.

3. Режим защиты аккумулятора от глубокого разряда и неуправляемого зарядного тока.

В этом режиме источник работает аналогично схеме прототипа. А именно, при разряде аккумулятора 2 (а это возможно, если долгое время мощность генератора равна 0) напряжение на нагрузке 4 уменьшается и, достигнув определенного уровня, воздействует на коммутатор 11 так, что последний закрывает транзистор разряда 8, а транзистор заряда 7 и транзистор преобразователя 6 закрыты по цепи питания.

Таким образом, схема обеспечивает в режимах малой мощности добавку напряжения к напряжению генератора, недостающего до напряжения стабилизации. Тем самым тратится меньшая энергия аккумулятора. В прототипе в этих режимах вся мощность нагрузки покрывалась энергией аккумулятора.

Указанный технический результат достигнут за счет введения лишь одного элемента - трансформатора, заменившего дроссель преобразователя. Остальные элементы дополнительного преобразователя, требующегося для передачи малой мощности генератора к приемнику, получены за счет совмещения функций имеющихся у прототипа элементов. Причем управление током заряда, током разряда и отключением батареи при глубоком разряде возможно осуществлять с помощью ключей 8, 7, 6, имеющихся и у прототипа.

Формула изобретения

Источник вторичного электропитания, содержащий генератор постоянного тока и аккумуляторную батарею с цепями заряда и разряда, которые коммутируются соответствующими транзисторами, устройство управления коммутацией транзисторов цепей заряда и разряда, а также датчики состояния питающей сети и нагрузки, вырабатывающие сигналы, управляющие указанным устройством управления коммутацией, кроме того, разделительный диод, к аноду которого первым концом подключена цепь заряда аккумуляторной батареи, а также нагрузка, параллельно которой включен конденсатор, отличающийся тем, что содержит трансформатор, первичная обмотка которого включена в цепь разряда, а вторичная включена в цепь заряда последовательно с выходом генератора постоянного тока и транзистором цепи заряда, при этом энергия вторичной обмотки передается через разделительный диод в нагрузку, общая точка вторичной обмотки трансформатора и транзистора цепи заряда через транзистор преобразователя подключена к общей отрицательной шине генератора постоянного тока, аккумулятора и нагрузки так, что вторичная обмотка трансформатора, при закрытом транзисторе цепи заряда, совместно с транзистором преобразователя, разделительным диодом и конденсатором, образуют повышающий импульсный преобразователь напряжения, а трансформатор совместно с транзистором цепи разряда, разделительным диодом и конденсатором, подключенными параллельно нагрузке, образуют дополнительный широтно-импульсный обратноходовый однотактный преобразователь.

РИСУНКИ

Рисунок 1