Устройство для питания нагрузки постоянным током

 

(72) Авторы изобретения

В.К.Быстров, В.В.Додотченко и А.Г.Н (7l) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПИТАНИЯ НАГРУЗКИ.

ПОСТОЯННЫИ ТОКОМ

Изобретение относится к системам питания нагрузки постоянным током как в стационарных условиях, так и на подвижнйх объектах от источника с большим внутренним сопротивлением и буферной аккумуляторной батареей (АБ), подзаряжаемой импульсным током источника.

Известно устройство для питания нагрузки от источника постоянного тока типа топливной батареи и буферной АБ разделенной на несколько секций. Секции батареи в таком устройстве поочередно подключаются к источнику электрической энергии с помощьИ соответствующей пары автоматически управляемых выключателей, что позволяет импульсно подзаряжать зти секции, в результате чего потери энергии в батарее уменьшаются (1 ).

Однако низкий КПД передачи энергии источника в нагрузку и необходимость использования в качестве выключателей полностью управляемых вентилей существенно ограничивает использование этого устройства. Кроме того, АБ должна быть разделена на несколько секций.

Известно также устройство для эа" ряда АБ импульсным током, энергия источника питания ностоянного тока в котором передается s АБ через зарядный конденсатор двухобмоточный линейный дроссель и вентили. Благодаря трансформаторной связи обмоток дросселя энергия источника передается в АБ во время заряда и разряда конденсатора I 21.

Отсутствие непосредственной гальванической связи обмоток дросселя не позволяет уменьшить его массу за счет введения автотрансформаторной связи era обмоток.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для питания нагрузки постоянным током, содержащее источник электрической энергии с большим внутренним сопротивлением, например батарею топливных элементов, отрицательный вывод которой подключен к отрицательному выводу для подключения АБ, а положительные выводы источника и устройства объединены через ячейку из двух соединенных последо— вательно-согласно тиристоров, зарядный конденсатор,,линейный дроссель и диод, обеспечивающие заряд АБ до 1р направления, вдвое превышающего найряжение источника (3 ).

Недостатком этого устройства яв— ляется то, что во время заряда конденсатора энергия в АБ непосредственно от. источника не поступает, а во время заряда АБ от конденсатора энергия источника не используется.

Зто ограничивает, скорость передачи энергии от источника в AS, приводит к низкому коэффициенту использования источника по мощности и ухудшает удельные энергетические показатели устройства в целом.

Цель изобретения — улучшение удельных энергетических показателей устройства для питания нагрузки постоянным током путем увеличения скорости передачи энергии от источника в АБ без увеличения его массы.

Поставленная цель достигйется тем, что в устройстве для питания нагрузки постоянным током, содержащем источник электрической энергии с большим внутренним сопротивлением, 35 например батарею топливных элементов, отрицательный выходной вывод которой подключен к отрицательному выводу для подключения АБ, а положительные выводы источника и устройства

40 соединены через ячейку из двух соединенных последовательно †соглас тиристора зарядный конденсатор, линей— ный дроссель и диод, обмотка зарядного линейного дросселя сяабжена

45 отводом, который через зарядный кон— денсатор подключен к точке соединения тиристоров, один вывод его обмотки подключен к отрицательному выводу для подключения АБ, а другой — к аноду диода, катод которого соединен с положительным выводом устройства.

Кроме того, положительный вывод для подключения АБ через дополнительный конденсатор подключен к отводу обмотки зарядного линейного дросселя.

Упомянутый диод включен согласнопоследовательно с тиристорами в упо902149 4 мянутую ячейку, а зарядный конденсатор шунтирован дополнительным диодом.

Такое выполнение устройства позволяет питать нагрузку постоянным током повышенного напряжения не только от источника постоянного, но и от источников переменного тока.

На фиг. 1 приведена электрическая схема устройства для питания нагрузки постоянным током, на фиг. 2, 3, 4 и 5 — варианты ее выполнения.

Устройство (фиг.I) содержит источник постоянного тока (ИПТ) с большим внутренним сопротивлением (не показано) с полржительным и отрицательным выводами. К положительному выводу ИПТ подкл очена тиристорная ячейка из двух соединенных последовательносогласно тиристоров 1 и 2, точка соединения которых через конденсатор

3 и дроссель 4 подключена к отрицательному выводу ИПТ и устройства.

Катоды тиристора 2 и диода 5 подключены к положительному выводу АБ 6.

А параллельно АБ 6 включено сопротивление нагрузки 7.

В варианте устройства (фиг.2) имеется дополнительный" конденсатор 8 ф подключенный между положительным выводом АБ 6 и отводом зарядного линейного дросселя 4.

В варианте устройства (фиг.3) введен дополнительный диод 9 и изменена схема подключения тиристорной ячейки к положительной выходной клемме устройства.

В вариантах устройств (фиг.4 и 5) содержится два параллельно включенных устройства по фиг ° 1 и 3 соответственно.

Управление тиристорами в обеих ячейках осуществляется от парафазного автогеиератора (не показан), который выполнен по любой известной схеме, описанной в технической литературе.

Принцип работы устройства следующий.

При подаче импульса на открытие тиристора 1 ток ИПТ проходит по цепи: положительная клемма ИПТ вЂ” элементы 1, 3 и 4 — отрицательная клемма ИПТ. Одновременно осуществляется заряд АБ 6 электромагнитным путем по контуру 4-5-6-4. При этом заряд электрическим кондукционным путем не происходит, так как ЭДС АБ больше

902

В следующем полупериоде подается сигнал на открытие тиристора 2 и

3К, разряжаясь по цепи 3-2-5-6-4-3, передает свою энергию в AS. Одновременно ток разряда ЗК проходит по цепи 3-2-4-3 и в.начале разряда к верхней половине омботки приложено примерно удвоенное напряжение источника, при этом напряжение на всей обмотке дросселя, примерно в 4 раза превышающее напряжение источника, прикладывается к АБ и она заряжается по цепи 4-5-6-4. Заряд АБ продолжанапряжения ИПТ. Прохождение тока через зарядный конденсатор (3K) 3 и

АБ приводит к накоплению ими энергии.

После того, как ЗК зарядится до своего максимального напряжения, 5 практически вдвое превышающего напряжение ИПТ, тиристор 1 запирается . (путем самопогасания) и к его катоду прикладывается положительное напряжение 3К.

При подаче сигнала на управляющий электрод тиристора 2 последний открывается и эа счет энергии, запасенной 3К, ток его разряда, проходя по цепи 3-2-6-4-3, подэаряжает АБ. 3а- 15 рядный линейный дроссель 4, ограничивая ток разряда ЗК, запасает в своем магнитном поле энергию, пропорциональную квадрату мгновенного значения тока. Диод 5 в начале разряда 20

ЗК 3 заперт, так как к его катоду приложено положительное напряжение

ЗК, а в момент времени, когда полярность напряжения дросселя 4 за счет

ЭДС самоиндукции изменится сначала на противоположную, АБ продолжает подзаряжаться по цепи 4-5-6-4 за счет энергии, запасенной в магнитном поле дросселя во время разряда ЗК.:

При подаче очередного импульса 30 на открытие тиристора I вновь, как было рассмотрено ранее, осуществляется заряд 3К и АБ. Если отвод выполнен от середины обмотки зарядного дросселя 4., АБ заряжается до напряжения, вдвое большего напряжения источника за счет повышения напряжения на обмотке дросселя. В следующем полупериоде осуществляется разряд зарядного конденсатора, напряжение которого также почти.в два раза больше напряжения источника. Поэтому заряд АБ почти до удвоенного напряжения источника происходит практически непрерывно, а скорость переда- 45 чи энергии от ИПТ в АБ в два раза больше, чем,в прототипе. В результате в два раза повышается коэффициент .использования источника по мощности, что приводит к значительному

50 улучшению удельных энергетических показателей устройства.

В устройстве по схеме фиг.2 с дополнительным конденсатором 8; включенным между положительным выводом

АБ и отводом обмотки зарядного дросселя 4 путем наложения на постоянную составляющую тока заряда АБ (проводимой через конденсатор 3 и дроссель

149 6

4), переменной сос авляющей по цепи АБ — дополнительный конденсатор

8 — зарядный дроссель 4 — АБ формируется .ассиметричный ток заряда АБ, позволяющий осуществлять ускоренный заряд АБ.

В устройстве по схеме фиг,3 при подаче импульса на открытие тиристора 1 ток ИПТ проходит по цели 1-3-4 и осуществляет заряд 3К так, что на его левой обкладке оказывается положительный потенциал. Одновременно с этим за счет электромагнитной связи витков обмотки дросселя 4, охваченных общим магнитным потоком, на выводе обмотки дросселя, соединенной анодом диода 5, наводится результирующее положительное напря-. жение. Под действием этого напряжения, если оно больше напряжения АБ, диод 5 открывается и энергия ИПТ передается в АБ. Передача энергии в

АБ осуществляегся электромагнитным путем по цепи 4-5-6-4. Кондукционным гутем энергия от ИПТ в АБ не передается, так как ЭДС AS больше напряжения ИПТ. Диод 9 и тиристор 2 в этом интервале времени находятся в закрытом состоянии, так как к их катодам приложено положительное напряжение.

Если отвод от обмотки дросселя выполнен от половины ее витков, то напряжение на всей обмотке вдвое превышает напряжение на половине ее витков и в начальный период времени заряда 3К примерно равно удвоенному напряжению ИПТ, а затем в процессе заряда ЗК уменьшается и при достижении напряжения на обмотке, равного ЭДС АБ, заряд электромагнитным путем прекращается, так как напряжением АБ запирается диод 5. В конце заряда 3К напряжение на его обкладках примерно в два раза больше напряжения ИПТ.

902149 ется до тех пор, пока напряжение на обмотке сравняется с ЭДС AS.

В устройствах по схемам фиг.4 и 5 сигналы на открытие тиристоров обеих ячеек сдвинуты на 180 эл.град., т.е. одновременно открываются тиристоры

I и 2,,а затем — 2 и 1. Это обеспечивает улучшение использования энергии и, соответственно, типовой мощности ИПТ за счет лучшего использова- щ ния его тока. Процессы в этом устройстве аналогичны рассмотренным выше.

Так как в устройства согласно изобретению AS заряжается до повышен- 1 ного (в 2-4 раза ) напряжения по сравнению с напряжением ИПТ или от за- . рядного конденсатора, или от зарядного дросселя, то скорость передачи энергии от ИПТ в АБ и коэффициент 26 использования источника по мощности увеличивается, что существенно улучшает удельные энергетические показатели устройства.

Формула изобретения

1. Устройство для питания нагруз-. ки постоянным током, содержащее .источник электрической энергйи с большим внутренним сопротивлением, например батарею топливных элементов, отрицательный вывод которой подключен к отрицательному выводу для подключения аккумуляторной батареи, а положительные выводы источника и устройства соединены через ячейку из двух соединенных последовательносогласно тиристоров, зарядные конденсатор ., линейный дроссель и диод, отличающееся тем, что, с целью улучшения удельных энергетических показателей, обмотка зарядного линейного дросселя снабжена отводом, который через зарядный конденсатор подключен к точке соединения тиристоров, один вывод его обмотки подключен к отрицательному выводу для подключения аккумуляторной батареи, а другой — к аноду диода, катод которого соединен с положительным выводом устройства.

2. Устройство по п.1, о т л и— ч а ю щ е.е с я тем, что положительный вывод для подключения аккумуляторной батареи через дополнительный конденсатор подключен к отводу обмотки зарядного линейного дросселя.

3. Устройство по п.1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что упомянутый диод включен согласно-последовательно в упомянутую ячейку, а зарядный конденсатор шунтирован дополнительным диодом.

Источники информации, принятые во внимание Зри экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

@269263, кл. H 02 f 7/00, 1970.

2. Авторское свидетельство СССР

Â702459, кл. Н 02 l 7/10, 1977.

3. Опубликованная заявка Англии

91438377, кл. H 2 Л 7/00, 1976 (прототип).

902 149

Составитель В.Оглоблев

Техред А.Бабинец Корректор А.Дзятко

Редактор M.ßHîBH÷

Заказ 12401/65 Тираж 669 Подлисное

ВНИИПИ 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