Система для питания нескольких нагрузок постоянным током

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. саид-ву(22) Заявлено 270581 (21) 3295278/24-07 с присоединением заявки ¹(51) М. Кл.з

H 02 J 7/34

Государственный комитет

СССР по делам изобретений н открытий (23) Приоритет(53) УДК б21. 355. .1(088.8) Опубликовано 071082. Бюллетень №37

Дата опубликования описания(071082

<1 ) . (енаиа (72) Автор изобретения

Б. В, Нилов (71) Заявитель (54) СИСТЕМА ДЛЯ ПИТАНИЯ НЕСКОЛЬКИХ НАГРУЗОК

ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ

Изобретение относится к электро- .технике, в частности к устройствам питания комплекса нагрузок постоянным током. Областью специального применения являются автоматические комплексные морские маяки, оснащенные различными средствами навигационного оборудования.

Известны устройства для питания нагрузок постоянным током, содержащие аккумуляторы и зарядно-разрядные цепи с коммутационными элементами (11 - (71 .

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство, .содержащее несколько секций аккумуляторов, входящих в состав зарядо-разрядных блоков, источник постоянного тока (например, радиоизотопный термоэлектрогенератор ) и систему управления зарядо-разряд.ными блоками, включающую тактовый генератор и регистр,,причем зарядоразрядные блоки оснащены устройствами контроля состояния аккумуляторов и могут иметь различное количество секций аккумуляторов $8/ .

В известном устройстве питания нагрузок степень заряда аккумулятор,ных батарей контролируется в каждом зарядо-разрядном блоке, с целью исключения их перезаряда. При этоМ надежная работа устройства (бесперебойное снабжение потребителей электроэнергией) обеспечивается только при условии баланса вырабатываемой зарядным источником постоянного тока энергии, достаточной для поддержания в заряженном состоянии всех секций аккумуляторов, и потребляемой энергии нагрузок. Нарушение баланса (увеличение потребляемой нагрузками энергий) ведет к отказу в работе устройства из-за перезаряда аккумуляторов. Вероятность возникновения такой аварийной ситуации возрастает при использовании в качестве заряд.ного источника постоянного тока радиоизотопного термоэлектрогенератора, 2О характеризующегося ограниченной мощ° ностью, и питания переменных по потребляемой энергии нагрузок, каковыми являются, например, маячные средства навигационного оборудования. Поэтому, 25 во избежание перезаряда аккумуляторов, питающих переменную по энергии нагрузку, баланс энергии рассчитывают по максимально возможной потребляемой ,энергии, допуская возможность другой

30 крайности в работе устройства — рабо964856 ту радиоизотопного термоэлектрогенератора на балласт, когда аккумуляторы заряжены (при нагрузке меньше балансной), что снижает эффективность использования дорогостоящей радиоизотопной энергии. Возможна работа 5 радиоизотопного термоэлектрогенератора на балласт за счет введения резервных батарей гальванйческих элементов, включенных вместо балласта и получающих ток заряда в периоды,!О

1когда аккумуляторы заряжены. Хотя заряд гальванических элементов менее эффективен, чем заряд аккумуляторов, бесполезные затраты энергии в этом случае уменьшаются, так как источник заряда всегда соединен электронным коммутатором либо с аккумуляторайи, либо с гальваническими элементами.

Если при небольшой мощности нагру ° зок (токи до 10 ампер) проблема компенсации возможного дефицита энергии 20 вполне удовлетворительно решается с помощью резервных гальванических эле -. ментов,. то в случае увеличения.мощ- ности нагрузок потребуется соответствующее увеличение энергоемкости и уменьшение внутреннего сопротивления источника постоянного тока, роль которого гальванические элементы не способны выполнять из-за худших, чем у аккумуляторов энергетических харак-.З0 теристик. Поэтому возможность перезаряда аккумуляторов в прототипе не устраняется известными средствами и вероятность его возрастает с увеличением мощности нагрузки., 35

Целью изобретения является увели= чение мощности нагрузок и повышение надежности путем исклЮчения перезаряда аккумуляторов.

Поставленная цель достигается 40 тем, что в устройство для питания нескольких нагрузок постоянным током, содержащее несколько секций аккумуляторов, собранных в батареи, снабженные устройствами контроля состоя- 45 ния аккумуляторов и входящие в состав соответствующего количества зарядо-разрядных блоков, источник постоянного тока, например, радиоизотопный термоэлектрогенератор, и систему управления зарядо-разрядными бло- 0 нами, включающую тактовый генератор и регистр, введены автономный источник переменного тока, например, автоматический дизель-электрический агрегат, связанные с HHM и зарядоразрядными блоками управляемые выпрямители и логическме элементы "И" и

"ИЛИ",соединенные с цепями управления зарядо-разрядных блоков своими входами и с цепями управления автоном60 ным источником переменного тока — выходами, причем каждый управляемый выпрямитель связан с цепями управления соответствующего зарядо-разряд- . ного блока. 65

На чертеже показана функциональная электрическая схема устройства для питания нескольких нагрузок постоянным током.

Устройство содержит регистр 1, тактовый генератор 2, источник постоянного тока 3 (например, радиоизотоп- ный термоэлектрогенератор), управляемые выпрямители 4 - 44., зарядо-разрядные блоки 5 - 5, каждый из которых имеет выводы б .и 7 для подключения нагрузок. (не показаны), выводы 8 и 9 для подключения источника постоянного тока 3, выводы управления 10 — 14, секции аккумуляторов 15 — 15 (в частном случае, как в зарядо-разрядном блоке 5З, может быть одна секция аккумуляторов), устройство контроля состояния аккумуляторов 16, логические элементы И-НЕ 17 и 18, Формирователи импульса по заднему фронту входного сигнала 19 и 20, диод 21, инвертор 22, распределитель импульсов 23 (только, при нескольких секциях аккумуляторов 15) и управляемые ключевые ячейки 24 — 24, логический -элемент

И 25, логический элемент ИЛИ 26 и автойомный источник переменного тока

27,(найример, автоматический дизельэлектрический агрегат).

Исходное положение устройства для питания нескольких нагрузок постояно ным током определяется заряженным состоянием секций аккумуляторов 15 зарядо-разрядных блоков 5, к выводаь которых 6 и 7 подключены нагрузки (на чертеже приведены четыре зарядоразрядных блока 5 — 54) и напряжение которых зависит от количества идентичных секций аккумуляторов 15, а начальное состояние схемы характеризуется тем, что регистр 1 обеспечивает на выводе 11! первого.зарядо» разрядного блока 5 сигнал логической 1, а на выводах 11 — 11 остальных зарядо-разрядных блоков 5 — 54 сигнал логического 0; зарядо-разряд-. ные блоки .5 - 54 на своих выводах

8 и 9 имеют напряжение источника постоянного тока 3, выводы управления

10, 12 и 14 имеют сигналы логического О, а выводы 13 — сигналы логической "1".

На чертеже приведены два варианта схем зарядо-разрядного блока 5, один из которых (5з) является частным случаем общего решения (5 ) и не содержит лишь распределитель импульсов 23, за ненадобностью, так как

s этом зарядо-разрядном блоке (5з) лишь одна секция аккумуляторов 15 и соответственно одна управляемая ключевая ячейка 24.

Для приведения в действие схемы устройства необходимо включцть так.товый генератор 2, который начинает

Формировать на своем выходе прямоугольные импульсы (сигнал логичес964856 кой 1). Появление сигнала логическоМ

1 на выводах 10 всех зарядо-разрядных блоков 54 - 54 вызывает срабатывание схемы только в первом зарядоразрядном блоке 54, который к этому уже подготовлен сигнм ло ческой 5

1 на выводе 114. В этом зарядо-разрядном блоке совпадение сигналов логической 1 на его выводах 104 и 114 вызывает появление на выходе логического элемента И-HE 17 сигнала логического О и соответственно на выходе инвертора 22 сигнала логической 1, который одновременно поступает на вход распределителя импульсов 23 и на вход логического элемента И-НЕ t5

18, другой вход которого уже имеет сигнал логической 1 устройства контроля. состояния аккумуляторов 16 (аккумуляторы в исходном положении заряжены). В результате на выходе логичес-2О кого элемента И-НЕ 18 сигнал логической 1 сменяется сигналом логического

О и до окончания тактового импульса на выходе формирователя импульса по заднему фронту входного сигнала 19 25 появляется импульс, которйй во»первых, сбрасывает .распределитель импульсов 23 в исходное состояние и, во-вторых, пройдя диод 21 и вывод 12, воздействует на вход регистра 1, обес- З пеиивая продвижение логической 1 на второЦ -выход последнего. Аналогично ,происходит срабатывание схем остальных зарядо-разрядных блоков, s которых аккумуляторы заряжены. Йачало разряда s зарядо-разрядных блоках характеризуется некоторым уменьшением напряжения (0,1 В на аккумулятор)" на которое реагирует устройство контроля состояния аккумуляторов и изменяет свой сигнал на выводе 13 с логи- 46 ческой 1 на логический О, тем самым постоянно удерживая на выходе логического элемента И-ЯЕ 18 сигнал логической 1 и подготавливая к работе распределители импульсов 23 и управ. 45 ляемые ключевые ячейки 24 по сигналам тактовых импульсов, обеспечивая постоянно импульсный режим подразряда аккумуляторов. Этот режим харак;теризуется тем, что каждая секций 5О аккумуляторов 15 получает импульсы

;зарядного тока длительностью, равной перйоду тактовых импульсов, постоянно

Ico скважностью, обусловлейной коли. чеством секций аккумуляторов 15 во 55 всех зарядо-разрядных блоках 5g — 5».

При этом работа схемы каждого зарядоразрядного блока 5, начиная с первого, происходит следующим образом.

I задний фронт первого (после бло-, 4 ) кировки логического элемента И-НЕ 18 ,сигналом логического О от устройства контроля состояния аккумуляторов 16) тактового импульса вызывает появление на первом выходе распреде- 6$ лителя импульсов 23 сигнала логической

1,который удерживается там в течение такта (пауза плюс импульс),т.е.до окончания второго тактового импульса.

В результате за время действия первого такта тактового генератора 2 потенциальный (положительный) сигнал удержйвает открытой управляемую ключевую ячейку 24« обеспечивая зарядный процесс в первой секции аккумуляторов 154. При этом остальные зарядо-разрядные блоки 5 — 54 заблокированы нулевыми потенциалами (логи-. ческими О) регистра 1 и прикладываемые к их выводам 10 — 104 тактовые импульсы не оказывают действия. 3а первым тактом следует второй, вызывающий появление потенциального сигнала на втором выходе распределителя импульсов 23 одновременно с исчезновением его с первого выхода. При этом закрывается управляемая ключевая ячейка 244 и открывается следующая, обеспечивая процесс заряда очередной секции аккумуляторов 15.

Таким образом, за каждый такт (пауза плюс импульс) тактового генератора 2 происходит смена заряжаемой секции аккумуляторов 15. После закрытия последней управляемой ключевой ячейки

24П в данном зарядо-разрядном блоке

5 по заднему фронту тактового импульса, соответствующему переходу последнего выхода распределителя ирптульсов

23 из состояния логической 1 в состояние логический О, формирователь импульса по заднему фронту сигнала

20 вырабатывает импульс, который, BD-первых, обеспечивает сброс схемы распределителя импульсов 23 в исходное (нулевое) состояние и, во-вторых, проходя через диод 21 и вывод 12, воздействует на вход регистра 1, продвигая тем самым логическую 1 на сле дующий (второй) вход последнего. Диоды 21 в зарядо-разрядных блоках выпол няют логическую функцию ИЛИ, обеспечивая развязку сигналов зарядо-разрядных блоков, поступающих через выводы

12 1 - 124 на вход регистра 1. Появление .логической 1 на втором выходе регистра 1 обеспечивает, аналогично описанному, действие второго зарядоразрядного блока 5, вместо выключенного зарядо-разрядного блока 5 .

По окончании работы схемы последнего зарядо-разрядного блона 5, сигнал логической 1 в регистре 1 перемеща-ется на первый его выход и работа схемы устройства продолжается по круговому циклу, начиная опять с первого эарядо-разрядного блока.. Если секции аккумуляторов 15 в каком-либо из зарядно-разрядных блоков 5 зарядятся.до установленного верхнего предела напряжения, то сработает устрой-: ство контроля состояния аккумуляторов

9648

16 этого блока и выдаст сигнал логической 1 на вывод 13, обеспечивая выключение данного зарядо-разрядного блока из кругового зарядного цикла.

При этом скважность постоянно-импульс- 5 ного режима заряда, оставшихся в зарядном цикле зарядно-разрядных блоков уменьшается на величину, соответствующую количеству секций аккумуляторов выключенного из зарядного кругового цикла зарядно-разрядного блока. По мере уменьшения ко личества работающих зарядо-разрядных блоков, ввиду увеличения отключенных (блокированных) зарядо-разрядных блоков, доля зарядной энергии, отда- 15 ваемой источником постоянного тока, оставшимся в круговбм зарядном цикле аккумуляторам, растет и процесс заряда, аккумуляторов ускоряется.

Среди зарядо-разрядных блоков мо- .gg гут быть такие, например, блок 5>, в которых имеется всего одна секций аккумуляторов 15. Поэтому в таком зарядо-разрядном блоке отсутствует распределитель импульсов 23 и такто- 25 вые импульСы поступают непосредственно на,управляемую ключевую ячейку 24, а также одновременно на вход формирователя импульса по заднему фронту сигнала 20, Далее работа схемы устройства происходит аналогично описанному выше.

При увеличении мощности нагрузок и соответственно увеличении энергии, снимаемой с аккумуляторных батарей зарядо-разрядных блоков 5, работающий постоянно источник постоянного тока

3 (радиоизотопный термоэлектрогенератор) не восполняет полностью запасен. ную в аккумуляторах энергию и они начинают снижать свое напряжение. Ког- 4© да напряжение аккумуляторной батареи в каком-либо из зарядо-разрядных блоков 5 — 54 понизится до нижнего предельного уровня (1, 2 В на аккумулятор), срабатывает устройство 45 контроля состояния аккумуляторов 16 этого блока и выдает сигнал логической 1 на вывод 14. Так как выводы 14 всех зарядо-разрядных блоков 5, - 5q связаны через логический элемент ИЛИ 59

26, с целью управления автономным источником переменного тока 27 (например, с целью пуска дизель-электрического агрегата), последний начинает вырабатывать переменный ток, поступаю-g$ щий в сеть, связывающую все управляемые выпрямители 4, — 44. Каждый из управляемых выпрямителей 4 — 41 своим выходом связан с выводами 6 и 7 соответствующего зарядо-разрядного О блока 5, и поэтому начинается заряд аккумуляторов, причем в тех блоках 5, в которых аккумуляторы не:достигли максимального напряжения (1,4 - 1,5 В .на аккумулятор). По достижении верхнего предельного уровня напряжения 63 на аккумуляторах срабатывает соответствующее устройство контроля состояния аккумуляторов 16, выдавая на вывод 13 сигнал логической 1. Этот сигнал выключает управляемый выпрямитель 4 данного зарядо-разрядного блока 5 ° Ввиду того, что все выводы

13 — 13 4 соединены через логический элемент И 25 с цепью управления автономным источником переменного тока

27 (цепью остановки автоматического дизель-электрического агрегата), пос- ледний выключается только тогда, когда все секции аккумуляторов 15 всех

,зарядо-разрядных блоков 54 — 5 бу-f дут иметь предельное по максимуму напряжение аккумуляторных батарей, т.е. когда все устройства

1 контроля состояния аккумуляторов 16 будут иметь на выводе 13 сигнал логической 1, Мощность автономного источника переменного тока 27 выбирают, исходя из условия скорейшего (форсированного) заряда аккумуляторов одновременно всех зарядо-разрядных блоков 5.

Введение в устройство для питания нескольких нагрузок постоянного тока, содержащее ряд секций аккумуляторов, заряжаемых маломощным источником постоянного тока (например, радиоизотопным термоэлектрогенератором), автономного источника переменного тока с управляемыми выпрямителями .и логической схемой управления ими на элементах И и ИЛИ позволяет со четать постоянно-импульсный режим подзаряда энергоемких аккумуляторов с эпизодическим интенсивным их зарядом, не допуская перезаряда аккумуляторов,.как бы не увеличивалась мощность нагрузок и какой бы дефицит энергии при этом не возникал, так как последний всегда компенсируется за счет и в переделах ресурса автономного источника переменного тока.

В результате повышается надежность устройства и устранена критичность его к изменению мощности нагрузок, что расширяет сферу применения такого устройства и позволяет ввести единообразие в структуру энергооборудования автономных автоматических объектов, способствуя тем самым сокращению эксплуатационных расходов.

Формула изобретения

Система для питания нескольких нагрузок постоянным током, содержащая несколько секций аккумуляторов, собранных в батареи, снабженные устройствами контроля состояния аккумуляторов и входящие в состав соответствующего количества зарядо-разрядных блоков, источник постоянного тока, 964856

10 например радиоизотопный термоэлектрогенератор, и систему управления зарядо-разрядными блоками, включаюшую тактовый генератор и регистр, о тл и ч а ю ш а я с я тем, что, с целью увеличения мошности нагрузбк и повышения надежности путем исключения нерезаряда аккумуляторов, введены автономный источник переменного тока, например, автоматический дизельэлектрический агрегат, связанные с ним и зарядо-разрядными блоками управляемые выпрямители и логические элементы И и ИЛИ, соединенные с цепями управления зарядо-разрядных блОкОВ СВОими ВХОдами H c цепями 15 управления автономным источником переменного тока — выходами, причем каждый управляемый выпрямитель связан с цепями управления соответствующего зарядо-разрядного блока.

Источники информации, I принятые во внимание при экспертизе

1 ° Авторское свидетельство СССР

Р 690589, кл. Н 02 J 7/34, 1973.

2. Авторское свидетельство СССР

9 748665, кл. Н 02 J 7/34, 1978.

3. Патент CfOA 9 3947743, кл. кл. 320-2, 1976.

4. Патент Великобритании Р 1420586, кл. Н 2 Н, 1976.

5;. Патент ФРГ 9 2502049, кл. Н 02 J 7/34, 1977.

6. Заявка Японии Р 51-10651, кл. 57АО.

7. Патент. Франции Р 2300451, кл. Н 02 J 7/34, 1976.

8. Авторское свидетельство СССР по заявке Р 2977751, кл. Н 02 J 7/34, 1980.