Устройство для питания нагрузки постоянным током

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПИТАНИЯ НАГРУЗКИ ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ, содержащее аккумуляторную батарею, источник постоянного тока, вольтодобавочный преобразова тель напряжения с обратной связью по току заряда и с выпрямителем на выходе, включенный последовательно с источником постоянного тока в цепь заряда аккумуляторной батареи, шунт, включенный в цепь заряда аккумуляторной батареи, реле напряжения, подключенное к источнику постоянного тока, причем замыкающие контакты реле включены в цепь питания вольтодобавочного преобразователя , отличающееся тем, что, с целью уменьшения габаритов и веса устройства, в него введен масштабный усилитель, выполненный на интегральном операционном усилителе , вход которого соединен с шунтом, а выход соединен с входом вольтодобавочного преобразователя, при этом вольтодобавочный преобразователь выполнен в виде усилителя рассогласования, один из входов которого соединен с выходом масшгабного усилителя, а другой вход соединен со средней точкой задающего потенциометра , а выход усилителя рассогласования соединен через резистор с одним из входов широтно-импульсного модулятора, выполненного ria операционном усилителе, к другому входу которого через резистор подключена (Л средняя точка первого делителя напряжения , соединенного с выходом генератора пилообразного напряжения низкой частоты, а выход широтно-импульсного модулятора соединен со вторым делителем напряжения, средняя точка которого соединена с базой первого транзистора, в коллекторную цепь которого включены последовательно токоограничивающий резистор и светодиод оптоэлектронйого ключа, а выход оптоэлектронного ключа через третий делитель напряжения соединен с базой второго транзистора, коллектор которого через четвертый делитель напряжения соединен с базой третьего транзистора, в коллекторную цепь которого включен предварительный усилитель вольтодобавочного преобразователя , вход которого соединен со вторичной обмоткой трансформатора задающего генератора высокой частоты, а выход соединен с входом оконечного усилителя вольтодобавочного пре .образователя.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

3(5П Н 02 Т 7/00

I ;.

onucAHve иЗОБРЕ ГЕНИЯ,1

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3229312/24-07 (22) 31.12.80 (46) 23.04 83. БЮл. Р 15 (72) Н.С. Перфильев и B.A. Федоров (53) 621.355.1(088.8). (56) 1. Техническое описание ЯГ1.201.

032. ТО.

2. Патент СССР Р 391536, кл. Н 02 J 7/00, 1966.

3. Авторское свидетельство СССР

Р 417871, кл. Н 02 Т 7/34, 1969.

4, Патент ФРГ Р 1243766, кл. 21 с 42/02, 1968.

5. Патент Швейцарии Р 572678, кл. Н 02 Т 7/24, 1975.

6. Патент Японии Р 49-3177, кл. 57Д1.

7. Патент ФРГ 9 1160933, кл. 21 с 51/01, 1967.

8. Авторское свидетельство СССР

М 525936, кл. Н 02 J 7/00, 1973.

9.. Патент Японии Ф 53-44653, кл. 57Д1.

10. Авторское свидетельство СССР

Р 748660, кл. Н 02 У 7/00, 1978, (54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПИТАНИЯ НАГРУЗКИ ПОСТОЯННЬМ ТОКОМ, содеРжащее аккумуляторную батарею, источник постоянного тока, вольтодобавочный преобразователь напряжения с обратной связью по току заряда и с выпрямителем на выходе, включенный последовательно с источником постоянного тока в цепь заряда аккумуляторной батареи, шунт, включенный в цепь заряда аккумуляторной батареи, реле напряжения, подключенное к источнику постоянного тока, причем замыкающие контакты реле включены в цепь питания вольтодобавочного преобразователя, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью уменьшения габари„„SU„„965296 А тов и веса устройства, в него введен масштабный усилитель, выполненный на интегральном операционном уси1 лителе, вход которого соединен с шунтом, а выход соединен с входом вольтодобавочного преобразователя, при этом вольтодобавочный преобразователь выполнен в виде усилителя рассогласования, один из входов которого соединен с выходом масштабного усилителя, а другой вход соединен со средней точкой задающего потенциометра, а выход усилителя рассогласования соединен через резистор с одним из входов широтно-импульсного модулятора, выполненного на опера" ционном усилителе, к другому входу

Я которого через резистор подключена средняя точка первого делителя напряжения, соединенного с выходом генератора пилообразного напряжения С„ низкой частоты, а выход широтно-импульсного модулятора соединен со вторым делителем напряжения, средняя точка которого соединена с базой первого транзистора, в коллекторную цепь которого включены последовательно токоограничивающий резистор и светодиод оптоэлектронного ключа, а выход оптоэлектронного ключа через третий делитель напряжения соединен с базой второго транзистора, коллектор которого через четвертый делитель напряжения соединен с базой третьего транзистора, в коллекторную цепь которого включен предварительный усилитель вольтодобавочного пре" образователя, вход которого соединен со вторичной обмоткой трансформатора задающего генератора высокой частоты, а выход соединен с входом оконечного усилителя вольтодобавочного преобразователя.

965296

Изобретение относится к автономным системам электроснабжения..потребителей энергии гостоянного тока, устанавливаемых, преимущественно, на подвижных средствах с источниками тока ограниченной мощности..

Известно, что при создании устройств для обеспечения буферной работы генераторов постоянного тока со . щелочными батареями на общую нагрузку, встречаются трудности при,согласовании их по номиналам напряжений между собой и с нагрузкой вследствие особенностей щелочных батарей, требующих при заряде значительно большего превышения зарядного напряжения относительно их номинального значения по сравнению со свинцовыми., Известно устройство, в котором обеспечивается техническое решение задачи обеспечения буферной работы щелочной аккумуляторной батареи и маломощного источника постоянного тока (бензоэлектрического агрегата) на общую нагрузку, согласованную по напряжению с источником постоянного тока и с аккумуляторной батареей. При этом необходимое превышение напряжения при заряде достигается с помощью автоматического переключения отдельных групп аккумуляторов с последовательного соединения (имеющего место при работе на нагрузку) на параллельное (в две одинаковые параллельные Группы) при заряде аккумуляторных батарей от источника постоянного тока, когда часть напряжения источника гасится на балластных резисторах. Во избежание сильного уменьшения зарядного тока .в конце первой половины цикла заряда производится автоматическое подключение параллельно основным гасящим резисторам дополнительных резисторов $1 J.

Однако габариты и вес такого устройства велики из-за наличия громоздких балластных резисторов и конструктивных элементов, предназначенных для рассеивания выделяющейся на них значительной части мсяцности источника тока.

Недостаток устройства состоит также в том, что при ограниченной мощности источника постоянного тока невозможно в обеих параллельных группах обеспечить номинальную величину зарядного тока. Величина зарядного тока .в устройстве уменьшена более чем на треть, по сравненню с номинальной, в результате чего приблизительно на треть увеличивается время заряда аккумуляторной батареи время работы бензоагрегата и, соответственно, на треть увеличивается расх од горючего, при этом приблизивае ,тельно на треть быстрее вырабаты ся ресурс бензоагрегата при заданном г количестве циклов заряда аккумуляторной батареи.

В устройстве (2 ) ПредусмотренО включение щелочной кадмий-никелевой батареи параллельно свинцовой акку5 муляторной батарее (с одинаковыми номинальными напряжениями) при работе на нагрузку и отключение щелочной батареи от нагрузки с помощью переключающего устройства при ее за)0 ряде от генератора постоянного тока.

Это решение имеет недостаток не обеспечивается нормальный заряд щелочной кадмий-никелевой батареи, так как генератор постоянного тока, согласованный .по напряжению с нагрузкой и со свинцовой батареей по номиналам, не может обеспечить необходимого превышения напряжения при заряде щелочной батареи и, следовательно, не обеспечивает полного вос20. становления потерянной емкости.

Кроме того, так как не обеспечивается необходимое превышение напряжения при заряде, заряд ведется малыми токами, а это, в случае применения щелочных батарей, приводит в процессе эксплуатации к постепенному уменьшению емкости батареи к ее сис-, тематическому недозаряду, что может вывести батарею из строя. Заряд ще30 лочной батареи малыми токами приводит к необходимости установки второй (свинцовой) батареи, что увеличивает габариты и вес всего устройства.

35 В технических решениях (.3 и 4 1 предлагается применять в системе два источника постоянного тока, при этом один источник используется для работы на нагрузку, а другой — для

40 заряда аккумуляторной батареи с соответствующим устройством переключения режима работы системы.

Недостатком указанных устройств является необходимость включения в схему двух источников постоянного

45 тока.с разными номинальными напряжениями, что усложняет систему и увеличивает габариты.и вес устройства.

В технических решениях 15 и 61 предусмотрено регул.;рование заряд50 ного тока аккумуляторной батареи путем изменения зарядного напряжения с применением обратной связи по току и по напряжению.

Недостатком этих устройств является то, что в них излишнее напряжение гасится на регулирующих силовых транзисторах, включенных последовательно в цепь заряда и работающих в активном Режиме, при этом для их ох60 лаждения требуются радиаторы больших размеров, что ведет к увеличению габаритов и веса устройства, а рассеивание мощности на регулируют-.. щих транзисторах приводит к большим

65 потерям энергии.

965296 зарядного напряжения над заданным и закрепляющий транзисторный ключ на период превышения напряжения.

Недостатком устройства являются большие габариты и вес из-за наличия ненасыщенного дросселя.

Другим недостатком устройства является его недостаточная надежность, связанная с большой вероятностью аварийного режима в схеме, приводящего к выходу из строя всех полупроводниковых приборов системы при перенапряжениях большой величины, которые могут возникнуть при неисправности хотя бы одного из элементов схемы защиты от превышения напряжения и однбвременном обрыве цепи аккумуляторной батареи или ее отключения. наиболее близким по технической сущности и решаемой задаче является устройство для питания нагрузки постоянным током, содержащее источник постоянного тока, нагрузку, аккумуляторную батарею, вольтодобавочный преобразователь напряжения с обратной связью по току и с выпрямителем на выходе, включенный последовательно с источником IIocroBHHQI o тока в цепь заряда аккумуляторной батареи, шунт, включенный в цепь заряда аккумуляторной батареи, реле напряжения, подключенное к источнику .постоянного тока, при этом вольтодобавочный преобразователь выполнен с фазоимпульсным управлением величиной выходного напряжения .на двух синхронизированных мультивибраторах с мостовым усилителем мощности и с фазосдвигающлм магнитным усилителем, на одну из управляющих обмоток которого сигнал подается с шунта, включенного в цепь заряда аккумуляторной батареи и служащего в качестве датчика тока, а на другую управляющую обмотку подается сигнал смещения, причем фазоимпульсное управ, ление достигается за счет регулирования временного сдвига д-уг относительно друга напряжении, у. равляющих транзисторами противоположных плеч моста. выходного мостового усилителя мощности на вольтодобавочном преобразователе (10 3.

Недостатком этого устройства являются большие вес и габариты вы-. ходного трансформатора, а также трансформаторов синхронизированных мультивибраторов в вольтодобавочном преобразователе.

Другим недостатком являются потери энергии на переходах силовых тран0 зисторов усилителя мощности мостового типа, применение которого в вольтодобавочном преобразователе данного, устройства необходимо.

Целью изобретения является умень5 шение габаритов и веса устройства.

В схеме устройства С7 7 предусмотрено применение вольтодобавочного источника тока при заряде батареи и отключение его при работе батареи на нагрузку.

Недостаток этой схемы в том, что требуется дополнительный вольтодобавочный источник, что связано с увеличением габаритов и веса.

Устройство (8 1 содержит источник постоянного тока, нагрузку, аккумуляторную батарею, вольтодобавочный преобразователь с трансформаторным выходом, включенный последовательно с основным источником в цепь заряда аккумуляторной батареи. Выходной !5 трансформатор вольтодобавочного преобразователя имеет несколько отводов, переключаемых с помощью семисторов, управление которыми осуществляется блоком контроля напряжения 20 заряда. Питание вольтодобавочного преобразователя осуществляется от основного источника..

Однако существенным недостатком указанного устройства является то, что дискретное переключение витков трансформатора вольтодобавочного преобразователя, в зависимости от величины зарядного напряжения, приводит к значительным броскам тока в начальном периоде заряда батареи.

Другим недостатком является то, что из-за особенностей зарядной характеристики щелочных аккумуляторных батарей имеется практически нерегулируемый по напряжению период в работе устройства в течение второй половины цикла заряда.

Кроме того, так как обратная связь в устройстве осуществляется по напряжению заряда аккумуляторной 40 батареи, на величину которого существенное влияние оказывает температура электролита, то для обеспечения необходимой величины зарядного тока в схему устройства требуется введение коррекции по температуре электролита, что приведет к усложне.— нию схемы.

В техническом решении (9 )для превышения напряжения при заряде 50 аккумуляторной батареи используется преобразователь, силовая часть которого выполнена по схеме с индуктивным накопителем энергии. В качестве индуктивного накопителя энергии в преобразователе используется ненасыщейный дроссель, а в качестве ключа - полупроводниковая переключающая схема. В зарядной схеме имеются: блок, обнаруживающий превышение знаБ чения действительного зарядного тока над заданным;блок,который по сигналу обратной связи регулирует длительность выходных импульсов генератора, управляющего транзисторным ключом;блок,обнаруживающий превышение Б

965296

Для достижения указанных целей в устройство, содержащее аккумуляторную батарею, источник постоянного тока, вольтодобавочный преобразователь напряжения с обратной связью по току заряда и с выпрямителем на 5 выходе, включенный последовательно с источником постоянного тока в цепь заряда аккумуляторной батареи, шунт, включенный в цепь заряда аккумуляторной батареи, реле напряжения, подклю- !О ченнбе к источнику постоянного тока, причем замыкающие контакты реле включены в цепь питания вольтодобавочного преобразователя, введен масштабный усилитель, выполненный на ин тегральном операционном усилителе, вход которого соединен с шунтом, выход масштабного усилителя соединен с входом вольтодобавочного преобразователя, к которому также подключена средняя точка задающего потенциомет: ра, при этом вольтодобавочный преобразователь выполнен в виде усилителя рассогласования, установленного на входе преобразователя, а выход усилителя рассогласования подключен через резистор к одному иэ входов широтно-импульсного модулятора, выполненного на операционном усилителе к другому входу которого через резистор подключена средняя точка

30 первого делителя напряжения, соединенного с выходом генератора пило- образного напряжения низкой частоты, а выход широтно-импульсного модулятора соединен со вторым делителем 35 напряжения, средняя точка которого соединена с базой первого транзистора, в коллекторную цепь которого включены последовательно токоограничивающий резистор и светодиод опто-40 электронного ключа, выход которого через третий делитель напряжения соединен с базой второго транзистора, коллектор которого через четвертый делитель напряжения соединен с базой третьего транзистора, в коллекторную цепь которого включен предварительный усилитель вольтодобавочного преобразователя, вход которого соединен с вторичной обмоткой трансформатора задающего генератора

50 высокой частоты, а выход предварительного усилителя соединен с входом оконечного усилителя вольтодобавочного преобразователя.

В устройство для питания нагруз- 55 ки постоянным током входят источник

1 постоянного тока (например бенао2 э лектрический агрегат), нагрузка

1. включенная параллельно источнику тока, щелочная аккумуляторная бата- 60 рея 3, подключаемая на нагрузку при понижении (или отсутствии) напряжения источника 1, вольтодобавочный

"прео ра еоб аэователь 4 напряжения, выход которого включен .последовательно с 65 источником 1 постоянного тока в качестве вольтодобавочного источника тока при заряде аккумуляторной батареи 3, реле 5 напряжения, переключающее режим работы системы (работа на нагрузку — заряд батареи), шунт

6, используемый в качестве датчика тока, с которого снимается сигнал обратной связи, масштабный усилитель

7, используемый в качестве усилителя малого сигнала, снимаемого с шунта 6, генератор 8 пилообразного напряжения низкой частоты, используемый для широтно-импульсной модуляции управляющего сигнала, задающий генератор

9 высокой частоты, определяющий рабочую частоту вольтодобавочного пре.образователя 4 и одновременно служащий источником питания для схемы управления работой вольтодобавочного преобразователя, предварительный усилитель 10, вход которого соединен со вторичной обмоткой трансформатора задающего генератора 9 высокой частоты, оконечный усилитель 11, вход которого соединен с выходом предварительного усилителя 10, а выход подключен последовательно с источником

1 тока в цепь заряда аккумуляторной батареи 3 операционный усилитель 12 масштабного усилителя 7, потенциометр 13, используемый для задания требуемой величины опорного напряжения, усилитель 14 рассогласования, используемый для усиления сигнала разности напряжений (опорного и снимаемого с выхода масштабного усилителя), резисторы 15 и 16, делитель напряжения 17 и 18, операционный усилитель 19, используемый в качестве широтно-импульсного модулятора, делители 20 и 21 напряжения, транзистор 22, резистор 23, светодиод 24, оптоэлектронный ключ 25, делители 26 и 27 напряжения, транзистор 28, делители 29 и 30 напряжения, транзистор 31, резисторы 32, используемые в качестве низкоомных датчиков тока.

Схема работает следующим образом.

При нормальной работе источник

1 постоянного тока подключен на на грузку 2 и, последовательно с выходом вольтодобавочного преобразователя 4, на заряд аккумуляторной батареи 3.

Реле 5 напряжения подключено на клеммы генератора источника 1 пос тоянного тока. Напряжение питания подается к вольтодобавочному преобразователю 4 от источника 1 постоянного тока через замыкающий контакт реле 5. Размыкающий контакт реле 5 напряжения подключает аккумуляторную батарею 3 к нагрузке 2 при переключении с заряда в работу на нагрузку.

При снижении напряжения на клеммах источника 1 тока ниже допустимого

965296 предела или при отключении источника ному усилителю 10, а так как ч«ci-cт. :.

1 тока, реле 5 напряжения обесточи- генератора 8 пилообразного напряже вается и своим замыкающим контактом ния низкой частоты значительно ниже размыкает цепь питания вольтодоба- частоты задающего генератора 9 вь:-вочного преобразователя 4 напряжения, сокой ча-.тоты и не превышает сот =":; а своим размыкающим контактом подклю- 5 .Герц, та напряжение на выходах пр.-.„чает аккумуляторную батарею 3 на „а варительного и оконечного усилите>;ей грузку. При повышении напряжения ис- фоРмиРУетсЯ в виде пачек импУльсов. точника 1 тока реле 5 срабатывает и Частота импУльсов в пачке Равна часнагрузка 2 автоматически переключается тоте задающего г-. нератора, а частота на питание от источника 1 постоянно- самих пачек равна частоте пилообраэго тока, при этом автоматически вос- ного напряжения. По мере уве>ичения станавливается цепь заряда батареи 3. степени заряженности аккумуляторной

Сигнал обратной связи снимается с батареи длительность(ширина) пачек шунта б и поступает на вход масштаб- Увеличивается, в результате чего ного усилителя 7, где он после ус- 15 среднее значение выпрямленного нареднения на входном фильтре усилива- пряжения на выходе вольтодобавочноется. Введение в схему устройства го преобразователя 4 возрастает и масштабного усилителя обеспечивает за счет этого величина зарядного возможность сравнения больших напря- тока поддерживается постоянной. для. жений на входе вольтодобавочного устранения несимметрии силового кас— преобразователя, в результате чего када преобразователя, позняка вшеи повышается- точность автоматического иэ-за одностороннего насыщения серподдержания требуемой величины эа- дечника выходного трансформатора, оядного тока, так .как относительная . используется напряжение, снимаемое погрешность при увеличении сравни- >5 с низкоомных РезистоРов 32, котоРое ваемых напряжений уменьшается. подводится к задающему генератору 9

Величина коэффициента усиления высокой частоты и используется для масштабного усилителя зависит только изменения длительности полупериодов, от соотношения сопротивлений реэисто- что полностью устраняет постоянную ров, входящих в масштабный усилитель. составляющую намагничивающих амперПо мере заряда батареи 3 величина витков силового трансформатора окотока, протекающе о через шунт б, нечного усилителя 11 и вызываемые стремится уменьшиться, при этом стре- ею потери. Оптоэлектронный ключ 25 . мится увеличиться усиленное напря- преднаэначен цля развязки схем по жение на выходе масштабного усили- питанию, при этом исключается также теля 7, где оно сравнивается с опор- влияние работы оконечного .усилителя ным напряжением, заданным с помощью 11 на работу масштабного усилителя 7. задающего потенциометра 13, а их Таким образом, в результате того, раэность усиливается усилителем 14 чтс напряжение на выходе вольтодорассогласования. В результате, по бавочного преобразователя формируетмере заряда батареи, на выходе уси- 40 ся в виде пачек импульсов, потери лителя 14 рассогласования уровень . энергии, связанные с перемагничиванапряжения все более снижается по нием сердечников трансформаторов, а отношению к напряжению на выходе ге- так>ке потери энергии в силовых траннератора 8 пилообразного напряжения зисторах, связанные с временем раснизкой частоты. Напряжение с выхода р5 сасывания избыточHi=tx носителей в усилителя 14 рассогласования и с области базы эти. . транзисторов, выхода генератора пилообразного на- уменьшаются, так как в промежутке пряжения никой частоты подаются на между пачками импульсов пр дваривход широтно-импульсного модулятора, тельный н оконечный усилители не выполненного на операционн н ого на операционном усили- 50 Работают, в Результате чего появлятеле 19. Модулятором разность напря- ется возможность в начале и в сережений преобразуется в прямоугольные дине цикла заряда аккумуляторной импульсы, ширина которых пропорци- батареи (когда пауза между пачками ональна этой е. осуще- импульсов относительно большая) от- твля тся широтно-импульсная модуля- . бирать от источника постоянного тока

55 ция, при этом скважнссть импульсов высвободившуюся за счет этого энерможет изменяться в пределах от нуля гию на другие нужды; так как управдо единицы. Прямоугольные импульсы ление вольтодобавочным преобразоваусиливаются транзистором 22, опто- телем 4 производится на низкой часэлектронным ключом 25, транзистором тоте, равной частоте пилообразного

28 и поступают на вход ключа, выпол- 6() напряжения, то это позволяет при сохненного на транзисторе 31, который ранении высокой рабочей частоты с частотой пилообразного напряжения вольтодобавочного преобразователя 4 и с длительностью импульсов, подава- полностью избавить ся от влияния сумемых широтно-импульсным модулятором, марного запазд апаз ывания в управляющей подключает питание к предварите р варитель- 65 части схема вольтодобавочного преоб965296

Составитель И. Найдина

Редактор Е. Зубиетова Техред M. Надь Корректор С. Шекмар Заказ 6751/5 Тираж 615 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1 1 3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4 разователя, вносимого операционным усилителем 19, оптоэлектронным ключом 25 и транзисторами 22, 28, 31, проявляющегося при работе на высокой частоте, когда время запаздывания соизмеримо с длительностью импульсов. рабочей частоты, что позволяет повышать рабочую частоту преобразователя 4 эа счет исключения влияния суммарной инерционности упомянутых элементов и соответственно уменьшить габариты и вес устройства.