Транзисторный преобразователь с двумя выходами с переключением аккумуляторной батареи электромеханическим контактором

Авторы патента:

H02J7/34 - параллельная работа в сетях с использованием как электрических аккумуляторов, так и других источников постоянного тока, например с целью обеспечения буферного режима (H02J 7/14 имеет преимущество)

Владельцы патента RU 2402856:

Закрытое акционерное общество "Электро СИ" (RU)

Изобретение относится к преобразовательной технике, в частности, может быть использовано в преобразователях для систем энергообеспечения транспортных средств. Преобразователь, имеющий два выхода, обеспечивает стабильное напряжение на нагрузке первого выхода во всех режимах при одновременном заряде аккумуляторной батареи АБ по второму выходу. Технический результат - предотвращение тяжелых режимов силовых транзисторов и диодов преобразователя при его запуске. Для этой цели при запуске преобразователя система управления вырабатывает определенную временную последовательность нарастания напряжения на первом канале выхода 1, при которой в процессоре управляющего устройства вырабатываются два различных опорных напряжения, подключаемых в зависимости от уровня напряжения U_АБ на (АБ). В зависимости от температуры и состояния разряженности напряжение АБ при запуске преобразователя может быть как меньше, так и больше требуемого выходного напряжения первого канала U_вых1. Поэтому, если U_АБ<Uвых1, при запуске преобразователя может проходить недопустимо большой ток через силовые ключи, диоды преобразователя и диод (3). Кроме того, большой ток, проходящий через АБ в процессе запуска, приводит к сокращению ее срока службы. Предложенный алгоритм запуска преобразователя, предусматривающий два уровня опорного напряжения, исключает данный недостаток. 3 ил.

Изобретение относится к преобразовательной технике, в частности может быть использовано в преобразователях, входящих в состав системы энергообеспечения транспортного средства.

Известен преобразователь, работающий от генератора переменного тока, включающий в себя трехфазный выпрямитель и DC-DC преобразователь с одним выходом, к которому подключается нагрузка и аккумуляторная батарея (АБ), работающая в буферном режиме [1]. Недостатками такого преобразователя являются значительные изменения напряжения на нагрузке вследствие требуемого изменения напряжения заряда АБ при изменении температуры, а также короткий срок службы работы никель-кадмиевой АБ в буферном режиме. Указанные недостатки снижают надежность системы энергообеспечения, которая, кроме того, требует дополнительной стабилизации напряжения на потребителях.

Техническим результатом данного изобретения является построение преобразователя, обеспечивающего стабильное напряжение на нагрузке первого выхода во всех режимах при одновременном заряде АБ по второму выходу, недопустимость тяжелых режимов транзисторов и диодов преобразователя при его запуске. Технический результат достигается тем, что в преобразователе (Фиг.1) установлен выходной контактор, имеющий один нормально-замкнутый (НЗ) и один нормально-разомкнутый (HP) контакты, переключающие нагрузку выхода 1 после процесса запуска на питание от преобразователя, и позволяющий одновременно с этим выход 2 - зарядное устройство (ЗУ) - подключать только к АБ; с целью повышения надежности работы транзисторов и диодов при запуске преобразователя система управления вырабатывает определенную временную последовательность нарастания напряжения на первом канале выхода 1, при которой в процессоре управляющего устройства вырабатываются два различных опорных напряжения, подключаемых в зависимости от уровня напряжения на АБ.

В зависимости от температуры и состояния разряженности напряжение АБ при запуске преобразователя может быть как меньше, так и больше требуемого выходного напряжения канала 1 Uвых1. Поэтому, если U_АБ<Uвых1, при запуске преобразователя может проходить недопустимо большой ток через силовые ключи, диоды преобразователя и диод 3, показанный на Фиг.1. Кроме того, большой ток, проходящий через АБ в процессе запуска, приводит к сокращению ее срока службы.

Предложенный алгоритм запуска преобразователя, предусматривающий два уровня опорного напряжения, исключает данный недостаток.

На Фиг.1 представлена общая схема заявляемого преобразователя с источником входного напряжения, контактами HP и НЗ выходного контактора и АБ. На Фиг.2 раскрыта схема преобразователя, на Фиг.3 показаны временные диаграммы запуска преобразователя.

К трехфазной сети 1 (Фиг.1) подключен преобразователь 2, имеющий два выхода с подключенными к этим выходам диодами 3, 4, к катодам диодов подключены HP 5, НЗ 6 выходного контактора, находящегося в преобразователе, от катода диода 3 выходное напряжение выхода 1 через автомат 7 поступает на нагрузку канала 1 выхода 1, а через HP при их замыкании - на нагрузку канала 2 выхода 1. АБ 8 своим положительным выводом подключена к катоду диода 4 и датчику напряжения 9, сигнал от датчика напряжения поступает в преобразователь. К катоду диода 3 подсоединен также автомат 10, второй вывод которого подключается к преобразователю.

К трехфазной сети 1 (Фиг.2) подключены нормально разомкнутые контакты 11 зарядного контактора 12 и нормально разомкнутые контакты 13 главного контактора (ГК) 14. К контактам зарядного контактора подключены зарядные резисторы 15, которые шунтируются контактами ГК. Зарядные резисторы подключены к трехфазному мосту 16, выход которого является входом повышающего импульсного регулятора напряжения (ИРН), в который входят датчик тока 17, дроссель 18, диод 19, транзистор 20, конденсаторы емкостного делителя 21, 22. К выходу ИРН помимо конденсаторов емкостного делителя подключены элементы резонансного DC-DC преобразователя, состоящего из транзисторной стойки 23, 24, трансформатора 25. Первичная обмотка трансформатора 26 включена последовательно с конденсатором 27 и включена в диагональ моста, образованного емкостным делителем и стойкой транзисторов.

Первая вторичная обмотка трансформатора 28 подключена к выпрямительному мосту 29, к выходу которого подключены параллельно конденсатор 30 и разрядное устройство (РУ) 31. Высокочастотный фильтр (ВЧФ) 32 подключен своим входом к конденсатору и разрядному устройству, а выходом - к датчику напряжения (ДН) 33. Нагрузка преобразователя первого выхода подключена одним выводом к первой точке соединения выхода ВЧ фильтра и датчика нагрузки, а другим - к аноду диода 3, катод которого подключен к общей точке соединения HP контакта выходного контактора 34 и автоматов 7, 10.

Вторичная обмотка 35 трансформатора 25 необходима для создания второго выхода преобразователя, который является зарядным устройством (ЗУ) АБ. Эта обмотка подключена к выпрямительному мосту 36, к выходу которого подключен параллельно конденсатор 37. К конденсатору 37 подключены последовательно транзистор 38 и диод 39. Точка соединения второго выходного вывода выпрямительного моста 36, второго вывода конденсатора 37 и анода диода 39 подключена к датчику тока 40. К общей точке соединения транзистора 38 и катода диода 39 подключен первый вывод дросселя 41, второй вывод которого подключен к выводу конденсатора 42. Второй вывод этого конденсатора подключен к датчику тока 40. Элементы 38, 39, 41 и 42 образуют понижающий импульсный регулятор напряжения. К конденсатору 42 подключены разрядное устройство (РУ) 43 и высокочастотный фильтр (ВЧФ) 44. Выход ВЧФ 44 подключен к датчику напряжения (ДН) 45, одна точка соединения выхода ВЧФ 44 и ДН 45 подключена к аноду диода 4, а вторая - ко второму выводу ДН 33, образуя общую точку всего устройства.

Силовые ключи управляются от драйверов 46, 47 и 48, в свою очередь получающих входные сигналы от устройства управления 49, в котором находится цифровой сигнальный процессор (ЦСП). Температурный режим АБ от термодатчика (ТД) 50 передается в устройство управления. В зависимости от температуры окружающей среды напряжение на АБ должно выставляться различным с целью создания наилучших условий работы для АБ и повышения ее срока службы. Напряжение питания устройства управления и контакторов поступает от блока вспомогательных напряжений (БВН) 51, который начинает свою работу после замыкания автомата 10 (Фиг.1).

Алгоритм запуска преобразователя показан на Фиг.3. На этом чертеже показана работа контакторов, последовательность изменения управляющих импульсов и диаграмма нарастания напряжения на датчике напряжения 33.

Этап 1 - преобразователь выключен.

Этап 2 - включение зарядного контактора - момент включения главного контактора. На этом этапе происходит заряд конденсаторов 21, 22 емкостного делителя на выходе ИРН.

Этап 3 - включение ГК - начало формирования импульсов DC-DC.

Этап 4 - начало формирования управляющих импульсов DC-DC преобразователя - отключение ЗК. Длительность управляющих импульсов увеличивается линейно. Напряжение на выходе 1 (датчике напряжения 33) на этом этапе нарастает.

Этап 5 - отключение ЗК - момент достижения на датчике напряжения 33 значения напряжения Uвых1.min. Напряжение Uвых1.min выбирается меньше минимально возможного напряжения АБ при всех температурах и степени ее разряженности. Длительность управляющих импульсов DC-DC преобразователя в этом интервале и последующих не изменяется и составляет немного менее половины длительности полупериода его работы.

На этом этапе опорное напряжение ПИД-регулятора, работающего в ЦСП, устанавливается либо на уровень U_АБ-ΔU_АБ, либо на уровень Uвых1+ΔUвых1, в зависимости от того меньше или больше напряжение, U_АБ требуемого выходного напряжения Uвых1.

В первом случае опорное напряжение ниже U_АБ на некоторую величину (ΔU_АБ) для того, чтобы преобразователь не был нагружен на АБ во время запуска. Во втором случае (когда U_АБ>Uвых1) опорное напряжение Uвых1+ΔUвых1 учитывает изменение напряжения на диоде 3 от проходящего через него тока. В конце этапа ЦСП отправляет команду на переключение выходного контактора.

Этап 6 - начало плавного нарастания длительности управляющих импульсов ИРН - достижение напряжением Uвых1 значения U_АБ-ΔU_АБ, либо напряжение продолжает нарастать к значению Uвых1+ΔUвых1. Напряжение Uвых1 возрастает с определенной скоростью, не позволяющей чрезмерно увеличивать ток в ключах и диодах преобразователя.

Этап 7 - достижение напряжения Uвых1 значения U_АБ-ΔU_АБ - поступление в ЦСП сигнала о переключении выходного контактора.

На этом этапе напряжение Uвых1 либо стабилизируется на уровне U_АБ-ΔU_АБ, либо продолжает нарастать к значению Uвых1+ΔUвых1, в зависимости от того, какое опорное напряжение, указанное в этапе 5, установлено в ПИД-регулятор.

Этап 8 - подтверждение переключения выходного контактора (поступление сигнала в ЦСП) - окончание процесса запуска. В начале этого этапа напряжение Uвых1 в зависимости от того, какое напряжение на АБ, либо продолжает нарастать к значению U_АБ-ΔU_АБ, либо продолжает нарастать к значению Uвых1+ΔUвых1 (пунктирная линия на Фиг.3). В случае, если напряжение Uвых1 в начале этапа 8 было стабилизировано на уровне U_АБ-ΔU_АБ, опорное напряжение ПИД-регулятора изменяется и устанавливается на уровень Uвых1+ΔUвых1, а напряжение Uвых1 плавно возрастает (сплошная линия на этапе 8, Фиг.3).

Этап 9 - работа преобразователя после окончания процесса запуска. После окончания этапа 8 и переключения контактов выходного контактора от преобразователя поступает энергия в каналы 1 и 2 выхода 1, а напряжение на выходе 2 после некоторой задержки плавно нарастает и АБ заряжается при требуемом для заданной температуры напряжении.

Литература

1. А.Анучин, Ф.Силаев. «Блок регулирования напряжения для автономной системы электроснабжения пассажирских вагонов поездов дальнего следования», сборник материалов конференции «Силовая электроника», июнь 2009, стр.31…33, рис.2.

Транзисторный преобразователь с двумя выходами, предназначенными для подключения нагрузки и аккумуляторной батареи, отличающийся тем, что первый выход обеспечивает стабильное напряжение на нагрузке двух каналов, а второй выход предназначен для зарядки аккумуляторной батареи, при этом к первому и второму выходам подключены аноды первого (3) и второго (4) диодов соответственно, к катодам которых подключены нормально разомкнутый и нормально замкнутый контакты выходного контактора, от катода первого (3) диода выходное напряжение первого выхода через нормально разомкнутый контакт автомата поступает на нагрузку первого канала, а через нормально разомкнутый контакт выходного контактора поступает на нагрузку второго канала, аккумуляторная батарея положительным выводом подключена к катоду второго (4) диода, контакты выходного контактора переключают нагрузку первого выхода после процесса запуска на питание от преобразователя и обеспечивают возможность подключать второй выход преобразователя только к аккумуляторной батареи.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано при создании источников питания для различной аппаратуры. .

Способ распределения энергии в автономной системе электроснабжения // 2402136

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам электроснабжения (СЭС) автономных объектов с использованием в качестве первичных источников энергии солнечных батарей, а в качестве накопителей энергии - аккумуляторных батарей.

Система электропитания космического аппарата // 2396666

Изобретение относится к области космической энергетики, в частности к бортовым системам электропитания космических аппаратов (КА). .

Система для автономного электроснабжения потребителей // 2382900

Изобретение относится к области электротехники и ветроэнергетики, а именно к автономным системам электроснабжения, обеспечивающим качественной электрической энергией потребителей, удаленных от системы централизованного электроснабжения.

Регулятор мощности и транспортное средство, оснащенное регулятором мощности // 2381610

Изобретение относится к регулятору мощности и транспортному средству. .

Устройство для заряда накопительного конденсатора // 2368052

Изобретение относится к системам аварийного электрического питания контрольно-измерительных приборов и автоматики, которые используются на атомных электростанциях, а именно к устройствам для заряда и разряда электрических батарей, и может быть применено в энергетических установках различного типа, при работе независимого источника питания постоянного тока, выполненного в виде батарей аккумуляторов энергии, изготовленных на базе молекулярных конденсаторов с использованием нанотехнологий.

Стабилизатор двуполярных токов // 2354028

Изобретение относится к области электрорадиотехники и может быть использовано в качестве функционального узла различных аналоговых микросхем для стабилизации их статического режима.

Система автономного электроснабжения // 2354027

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве системы автономного электроснабжения потребителей стационарных и подвижных объектов.

Способ управления статическими стабилизированными источниками напряжения постоянного тока, работающими параллельно на общую нагрузку // 2353042

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при построении систем генерирования электрической энергии или систем гарантированного электропитания, в которых для достижения технического результата - повышения надежности электропитания и повышения выходной мощности статические стабилизированные источники электрической энергии включаются параллельно на общую нагрузку.

Система электроснабжения предприятия связи // 2349013

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве системы электроснабжения ответственных потребителей постоянного и переменного тока, предъявляющих повышенные требования к стабильности напряжения.

Многоканальный агрегат бесперебойного питания потребителей напряжением переменного и постоянного тока // 2403664

Изобретение относится к системам резервного энергоснабжения и может быть использовано для бесперебойного электропитания высокостабильными напряжениями постоянного тока 28,5 В и однофазного переменного тока с частотой 50 Гц, 230 В, ответственных потребителей различных объектов (подвижных и стационарных) промышленного и военного назначения

Система питания энергией и связанные с ней способы // 2420824

Изобретение относится к системам электропитания, применяющимся для снабжения энергией оборудования на высоковольтной платформе

Автономная система электропитания искусственного спутника земли // 2440654

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при создании и эксплуатации автономных систем электропитания искусственных спутников Земли (ИСЗ)

Преобразователь постоянного тока в постоянный с регулируемым напряжением на входе, использующийся для отбора мощности // 2460195

Изобретение относится к схемам преобразования напряжения

Способ управления автономной системой электропитания космического аппарата // 2467449

Двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный для управления накопителем энергии при отводе энергии // 2476978

Электрическая схема автотранспортного средства // 2483412

Способ электропитания космического аппарата // 2488933

Устройство и способ для формирования, накопления и передачи электрической энергии // 2496208

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение надежности энергоснабжения. Устройство включает в себя по меньшей мере один источник (1) энергии, по меньшей мере один первый накопительный блок (4) и один второй накопительный блок (5) для накопления энергии и блок (6) управления. В соответствии с изобретением второй накопительный блок (5) таким образом электрически соединен с первым накопительным блоком (4), что для электрического заряда первого накопительного блока (4) к последнему подается электрическая энергия второго накопительного блока (5). При этом источник (1) энергии и накопительные блоки (4 и 5) соединены с электрическими потребителями (2 и 3) децентрализованного и независимого устройства, и на выполненные как коммуникационные блоки мощные электрические потребители (3) электрическая энергия подается посредством первого накопительного блока (4), а на выполненные как сенсоры маломощные электрические потребители (2) - посредством второго накопительного блока (5), причем накопительная емкость второго накопительного блока (5) меньше, чем накопительная емкость первого накопительного блока (4). 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 1 ил.

Устройство сбалансированного стабилизированного питания потребителей большой мощности // 2502172

Изобретение относится к области энергетики, и позволяет осуществлять прецизионное регулируемое питание потребителей постоянного тока, и может быть реализовано в сложных технологических комплексах большой мощности. Технический результат - получение максимального КПД при соблюдении требования точного регулирования выбранного параметра электроэнергии в режиме автоматического управления агрегатами большой мощности, обеспечивая современное качество передачи энергии каждому потребителю. Потребители электроэнергии подключены к источнику постоянного тока последовательно. Параллельно каждому потребителю подсоединен индивидуальный универсальный реверсивный управляемый ШИМ-преобразователь, который осуществляет регулируемый токоотбор либо токодобавку до требуемого уровня выбранного параметра стабилизации энергопотребления. Индивидуальные датчики обратной связи с узлом регулятора входят вместе с реверсивным ШИМ-преобразователем в систему автоматического регулирования выбранного параметра стабилизации энергопотребления. Индивидуальная универсальная плата цифрового преобразования (ИКЦП) подключена к линии цифрового обмена компьютера. Плата встроена в узел реверсивного преобразователя и, помимо функции цифрового преобразования измеряемых сигналов, призвана вырабатывать общий перечень функций управления агрегатом. Все платы ИКЦП включены параллельно через линию связи с компьютером, который устанавливает и поддерживает выбранный режим системы, последовательно опрашивая датчики агрегатов, аккумуляторной батареи и потребителей. 1 ил.