Устройство для питания нагрузки

 

Союз Советскик

Социалистически к

Реснубпнн

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН Ия

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

-" 681506 (6l ) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено23,11.72 (21) 1848834/24-07 с присоединением заявки М (23) Приоритет

Опубликовано 25.08.79. Бюллетень Эй 31

Дата опубликования описания 28.08.79 (53)М. Кл.

Н 02 У 7/00

Гооудвротвонньй ноинтот

СССР оо долом нвобрвтоннй н открытой (53) УЛК621,3Я.о.. - 2(088.8) А. Г. Николаев (72) Автор изобретения (7l) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПИТАНИЯ НАГРУЗКИ

Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам питания нагрузки от буферных аккумуляторных батарей и подзаряда последних и может быть использовано в системах электроснабжения различных автономных объек5 тов с резкопеременным графиком нагру:- ки, обеспечиваемым источником постоянного тока ограниченной мощности и аккуму ляторной батареей, работающей в буферном тО режиме. В этих системах батарея обеспечивает пики мощности и подзаряжается при минимальном потреблении тока нагрузкой.

Известное автоматическое буферное ак» кумуляторное устройство для питания нагрузки на подвижном объекте содержит аккумуляторную батарею, разделенную на секции, коммутируемые в последовательиъте и параллельные цепи, и систему управления автоматикой $13.

- В этом устройстве источник электрической энергии - генератор-отдает энер2 гию в нагрузку лишь тогда, когда его напряжение превышает напряжение батарг и.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности является устройство, в котором аккумуляторная батарея ра делена на несколько соединенных последовательно секций и подключена в буфер с источником постоянного тока ограниченной мощности, напряжение которого не превышает напряжения батареи. Между однополярными клеммами HcToiBHKa и батареи включены в прямом направлении вентили, а отводы от батареи подключаются к соответствующим клеммам источника через ключи - полностью управляемые вентили, коммутируемые специальным блоком управления ключами. Ключи — полностью управляемые вентили (транзисторы или запираемые тиристоры) - поочередно подключают секции батареи к источнику и импульсно подзаряжают батарею 12).

При буферном включении нагрузки,когда номинальное напряжение источника рапно номинальному разрядному напряжению

681506 батареи, КПД заряда двухсекционной батареи в таком устройстве не превышает 50%, а трехсекционной батареи - 33,3;о. Следовательно типовая (габаритная) мощность источника при выполнении батареи, секционированной более, чем в два раза, превы шает значение мощности, требуемой для питания нагрузки. Поэтому такое устройство характеризуется завышенным значением установленной мощности источника.

Целью изобретения является обеспече»

«6 ние уменьшения установленной мощности источника.

Это достигается тем, что в предложен ном устройстве параллельно цепи, образованной каждым из вентилей и соответствующей секцией двухсекционной батареи, включены в проводящем направлении одна или несколько пар соединенных последовательно-согласно управляемых вентилей-тиристоров, а точки соединения тиристоров каждой из этих пар через последоватега но включенные конденсатор и линейный дроссель подключены к клемме источника„ соединенной с вентилем другой цепи.

На фиг. 1 приведена схема предложенного устройства; на фиг. 2 - то же, один из вариантов.

Сопротивление нагрузки 1 подключено к клеммам батареи 2, разделенной на две равные секции. Батарея соединена с источником 3 постоянного тока через вентили-диоды 4 и 5, включенные соответсч венно между положительными и отрицательными клеммами источника и батареи. Жн

:33 вентили пропускают ток источника 3 в на»-. грузку 1, когда батарея разряжена и ее напряжение меньше напряжения источника

3, а также предохраняют батарею от разряда на источник, когда батарея заряжена

46 полностью

Заряд батареи осуществляется вентильными ключами-тиристорами 6-9, подкас чающими секции батареи на заряд от вспо могательных конденсаторов, промежуточных накопителей энергии. Ключи 6, 7 для одной и ключи 8, 9 для другой секции батарей включены параллельно цепи вентильсекция батареи и коммутируются парафазным блоком 1 0 управления вентилями, обьединенным с блоком контроля напряжения батареи.

Выводы средних точек тиристорных ключей через линейные дроссели и последовательно соединенные с ними конденсаторы подключены к различным клеммам исгочыика. Ключ, содержащий тиристоры

6 и 7, через дроссель 11 и конденсатор

12 подключен к отрицательной клемме, а ключ 8, 9. (череэ дроссель 13 и конденсатор 14) - к положительной клемме иоточника.

Схема работает следующим образом.

Предположим, что в течение всех, например, нечетных полупериодов (первого и т.д.) колебаний парафазного автогенератора блока управления вентилями 1 0 от источника 3 через тиристор 6 и дроссель

11 резонансно заряжается конденсатор

12, после чего тиристор 6 гаснет. В течение четных полупериодов через тиристор

9 и дроссель 13 заряжается конденсатор

14. По окончании полуволны тока в зарядном контуре напряжение на емкостном накопителе-конденсаторе становится равным ьЯ Д/Я нн — Е(E где, Е - ЭДС источника 3;

3Ж 2L — затухание контура;

«) = 1 -Ы вЂ” собственная частота контура, к кс ду. — индуктивность дросселя, С вЂ” емкость конденсатора;

Р - активное сопротивление конту.ра, слагающееся из внутреннего сопротивления источника 3, прямого согротивления гиристора, активного сопротивления дросселя и конденсатора.

Если частота контура равна частоте автогенератора ы э « Ю напряжение на конденсаторе определяется по формуле, -нЯ "Гс/2Й

1! с . е, ),а энергия запасенная

Ч н- этим конденсатором, — согласно выражению б « .при заряде проме @<„= —,СЕ 1+e жуточного накопителя энергии — конденсатора

12 (14) на активном сопротивлении контура и внутреннем сопротивлении источника рассежяЕс/LË ивается энергия,щ= " 2

2 поэтом у заряд конденса торов ос уществл яется с КПИ меньшим единицы, определяемым .согласао «оомула g=

C«Z4

В нечетных полупериодах автогенерато- ра ток в цепи последовательного контура

11, 12, потребляемый от источника, из» меняется по закону синуса и конденсатор

12 заряжается практически до двойного напряжения источника, В следующем полупериоде (четном) при заряде конденсатора 14 открывается тиристор 7, в результате чего конденсатор 12 через дроссель

11 разряжается на секцию батареи, соединенную последовательно с диодом 5. Ток разряда конденсатора, изменяясь по сину681506 соиде, становится равным нулю и тиристор 7 гаснет. В нечетных полупериодах (кроме первого) конденсатор 14 wept дроссель 13 и тиристор 8 отдает энергию . секции батареи, соединенной последователь- но с диодом 4. 5

Таким образом, нечетные импульсы бло ка 10 подаются на тиристоры 6 и S, a четные - на тиристоры 7 и 9. Конденсатор 12 в нечетные полупериоды заряжается, а в четные-отдает энергию секции батареи.

Конденсатор 14, наоборот в четные периоды заряжается, а в нечетные - разряжается. Частота последовательных резонансных контуров должна быть равна частоте импульсов блока 10 или должна превышать.

i$ частоту автоколебаний этого блока. При равенстве частот от источника 3 потребляется ток, изменяющийся от нуля до маМ симума, а затем снова до нуля. Если часзв тота контура превьпцает частоту коммутации тиристоров, импульсы потребляемого тока чередуются с паузами. Конденсаторы 12 и 14 контуров разряжаются на секции батареи полностью в соответствующие полупериоды работы устройства, если напряжение на конденсаторах в начале разряда не меньше, чем в два раза превышает напряжение соответствующей секции.

Так как разряд промежуточных накопи-, М телей энергии-конденсаторов — на соответ- ствующую секцию батареи осуществляется через тиристоры и линейные дросселя, ак тивное сопротивление которых отлично от нуля, часть энергии, отдаваемой накопи» телем-конденсатором, безвозвратно рассе ивается, в результате чего КПД разряда соответственно понижается. С погрешнос

7ью, не превышающей 5,2% этот коэффициент определяется формулой .

49 ъ с

2ц Д с, где L — индуктивность дросселя в цепи разряда конденсатора. 4$

При такой передаче энергии источника, вначале в промежуточные конденсаторы, а затем в секции батареи, ток, потребля емый от источника, изменяется по гармоническому закону. Среднее значение это- 4у го тока составляет 63,7% от его амцлитудного значения, равного отношению ЭДС источника к его внутреннему сопротивлению. Импульсный характер тока, повышая на 11% коэффициент формы тока, пример- у но на 23% увеличивает потери мощности на активных сопротивлениях контура заряда промежуточного накопителя (по сравнению с непрерывным током заряда батареи в прототипе). Однако в связи с тем, что мошносгь передаваемая в накопительные конденсаторы, увеличивается при такой передаче энергии источника более чем в два раза, мощность, передаваемая в нагрузку, соответственно возрастает.

Введение в схему устройства дополнительных накопителей энергии-конденсаторов и дросселей (имеющих удельную массу порядка 0,01-1 г/кВЛ ) приводит к увеличению абсолютных потерь мощности в активных сопротивле пых ус ройства, однако за счет увеличения полезной мощности, передаваемой в нагрузку, КПД такой передачи энергии тоже увеличивается. Это позволяет почти вдвое умень(удеш " ная масса которого порядка 100 г/Вт), т.е. улучшить энергетические показатели устройства. Для обеспечения такой эффективной передачи энергии источника в секции батареи необходимо, чтобы зарядный контур имел достаточно высокую добро ность (при добротности контура„ равной

10, КПД заряда конденсатора 93%). В связи с тем, что цри заряде конденсаторов 12 и 14 энергия рассеивается на активном сопротивлении потерь дросселя, а также на внутреннем сопротивлении самого источника, что уменьшает КПД системы в целом (добротность зарядного контура: источник, дроссель, тирпстор, конденсатор, численно равна частному от деления реактивного сопротивления дросселя Х. = ю или, что то же самое Хо=1/NC

4 так как при резонансе Хь= хс, на активное сопротивление потерь 8 "- X/Я необходимо повьпиение добротности контура.

Решение указанной задачи может быть в значительной мере упрощено, если после= довательные кон;гуры (11, 12 и 13, 14 каждый) выполнить в виде двух или более контуров, коммутируемых на одну и ту же секцию батареи. Так, если одну секцию заряжать через контуры 11, 12 и 15, 16, а другую - через контуры 13, 14 и 17, 18 (фиг. 2), при той же типовой мощности реактивных элементов, что в схеме на фиг. 1 сопротивление контура увеличива-! ется в два раза (реактивное), в результате чего добротность контура также возрастает примерно в 2 раза. При трех (четырех) контурах добротность каждого б дет в три-четыре раза выше, чем у одного исходного, вес дросселей и конденсатс ров останется неизменньм, а надсжность устройства увеличивается. Это создает

681506 предпосылки к выполнению устройства в виде совокупности отдельных модулей с накопителямй.

Увеличение добротности совокупности контуров приводит к повышению напряжения конденсаторов, что дополнительно уве личивает мощность в нагрузке и повышает зарядное напряжение., Коммутация дополнительных модулей (15, 16 и 17, 18) — контуров с накопителями - может осуществляться одновре16 менпо с основными тиристорами (19,20 и 21, 22). Пары тиристоров, осуществляющие заряд конденсаторов, включаются параллс:Ihío основным тиристорам. Кроме

13 того если блок 10 управления вентилями выполнить в виде многофазного автогенератора, число фаз в котором равно Числу модулей с резонансными контурами, приходящимися на одну секцию батареи а ти3

26 ристоры, коммутирующие эти контуры, огпирать с соответствующим фазовым сдвигом, кроме повышения КПД устройства можно также уменьшить неравномерность отбора мощностей от источника, что дополнительно увеличивает отдачу энергии, позволяет уменьшить его типовую мощность. При выполнении автогенератора двухфазным в первом такте первой фазы включаются тиристоры 6 и 8 и осущест вляется заряд конденсатора 12. Первым тактом второй фазы отпираются тиристоры 19 и 21 - заряжается конденсатор

16. Ток заряда этого конденсатора отстао ет на 90 от тока заряда конденсатора

12. Во втором такте первой фазы открываются тиристоры 7 и 9, в результате чего конденсатор 14 заряжается, а конденсатор 12 разряжается. Во втором такте второй фазы открываются тиристоры 20 gy и 22 и осуществляется заряд KGHgeHcaтора 18 и разряд конденсатора 16.

Импульсы тока заряда конденсаторов

12, 14 и 16, 18 сдвинуты на 90о, что характеризует потребление тока от источ ника с коэффициентом импульсации 0,133 против 0,667 в схеме с аднофазным автогенератором по фиг, 1. Поэтому типовая мощность источника в устройстве с многофазным автогенератором уменьшает ся более чем в 1,5 раза, по сравнению с устройством с однофазным генератором.

Формула изобретения

Устройство для питания нагрузки, содержащее аккумуляторную батарею, разде ленную на несколько, например На две, соединенные последовательно секции, источник постоянного тока ограниченной мощности, напряжение которого не превышает напряжение батареи, вентили, включенные в прямом направлении между однополярными клеммами источника и батареи, оч воды которой через управляемые вентильные ключи подключены к соответствующим клеммам источника, и блок управления ключами, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью уменьшения установленной мощности источника, параллельно цепи, образованной каждым из вентилей и соответствующей секцией батареи, включены в проводящем направлении одна или более пар соединенных последовательно-согласно управляемых вентилей-тиристоров, а точки соединения тиристоров каждой из этих пар через последовательно включенные конденсаторы и линейный дроссель подключены к клемме источника, соединенной с вентилем другой цепи.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР 4 352338, Н 02 У 7/14, 2. Авторское свидетельство СССР

% 269263, Н 02 1 7/00.

6S1506

Составитель Ю. Мерзляков

Редактор Е. Кравцова Техред С. Мигай Корректор С. Шекмар

Заказ 5100/48 Тираж 857 Подписное

UHHHHH Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж» 35, Раушская наб., д.,4/5

Филиал ППП "Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4