Устройство для питания нагрузки

СоюзСоветскикСоциалистическихреспублик ОП ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ц 1 681506(5) 1 т 1, Кл. Н 02 У 7/00 Гооударотоенньа ноинтет СССР оо делам нзобрвтеннй и открытой(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 объек 5 тов с резкопеременным графиком нагру:- ки, обеспечиваемым источником постоянного тока ограниченной мощности и аккуму ляторной батареей, работающей в буферномтО режиме. В этих системах батарея обеспечивает пики мощности и подзаряжается при минимальном потреблении тока нагрузкой. 5Известное автоматическое буферное ы кумуляторное устройство для питания нагрузки на подвижном объекте содержит аккумуляторную батарею, разделенную на секции, коммутируемые в последовательнъте и параллельные цепи, и систему управления автоматикой 1.В этом устройстве источник электрической энергии - генератор-отдает энер" 2гию в нагрузку лищь тогда, когда его цапряжение превьццает напряжение бвтаргц.Наиболее близким к предложенному потехнической сущности является устройство, в котором аккумуляторная батарея рвделена на несколько соединенных последовательно секций и подключена в буфер систочником постоянного тока ограциченцоймощности, напряжение которого не превышает напряжения батареи. Между одцополярными клеммами источника и батареивключены в прямом направлении вентили,а отводы от батареи подключаются к соответствующим клеммам источника черезключи - полностью управляемые вентили,коммутируемые специальным блоком управления ключами. Ключи - полностью управляемые вентили (транзисторы или запираемые тиристоры) - поочередно подключаютсекции батареи к источнику и импульсноподзаряжают батарею 12,При буферном включении нагрузки, когда номинальное напряжение источника равно номинальному разрядному напряжециюбатареи, КПД заряда двухсекционной батареи в таком устройстве не превышает 50%,а трехсекционной батареи - 33,3%. Следовательно типовая (габаритная) мощностьисточника при выполнении батареи, секционированной более, чем в два раза, превышает значение мощности, требуемой дляпитания нагрузки. Поэтому такое устройство характеризуется завышенным значением установленной мощности источника.Целью изобретения является обеспече16ние уменьшения установленной мощностиисточника.Это достигается тем, что в предложенном устройстве параллельно цепи, образованной каждым из вентилей и соответствующей секцией двухсекционной батареи,включены в проводящем направлении однаили несколько пар соединенных последовательно-согласно управляемых вентилей-тиристоров, а точки соединения тиристоров 9каждой из этих пар через последоватегьно включенные конденсатор и линейныйдроссель подключены к клемме источникасоединенной с вентилем другой цепи.На фиг. 1 приведена схема предложенного устройства; на фиг. 2 - то же, одиниз вариантов.Сопротивление нагрузки 1 подключенок клеммам батареи 2, разделенной надве равные секции. Батарея соединена с.источником 3 постоянного тока через вентили-диоды 4 и 5, включенные соответсчвенно между положительными и отрицательными клеммами источника и батареи. Эгн33вентили пропускают ток источника 3 в нагрузку 1, когда батарея разряжена и еенапряжение меньше напряжения ис гочника3, а также предохраняют батарею от разряда на источник, когда батарея заряженааполностью,Заряд батареи осуществляется вентильными ключами-тиристорами 6-9, подключающими секции батареи на заряд от вспомогательных конденсаторов, промежуточныхнакопителей энергии. Ключи 6, 7 для одной и ключи 8, 9 для другой секции батарей включены параллельно пепи вентильсекция батареи и коммутируются парафазным блоком 1 0 управления вентилями,обьединенным с блоком контроля напряжения батареи.Выводы средних точек тиристорныхключей через линейные дроссели и последовательно соединенные с ними конденсаторы подключены к различным клеммамисчочыика. Ключа содержащий тиристоры6 и 7, через дроссель 11 и конденсатор 12 подключен к отрицательной клемме, а ключ 8, 9. (через 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 равныммЯ Дф/Ян=Е(1где, Е - ЭДС источника 3;8 Ж 2 - затухание контура;О = 1 -Ы - собственная частота контура,к кс арЬ - индуктивность дросселя;С - емкость конденсатора;Р - активное сопротивление контура, слагающееся из внутреннего сопротивления источника 3, прямого согротивлениягиристора, активного сопротивления дросселя и конденсатора.Если частота контура равна частоте автогенератораырдфЕС напряжение наконденсаторе определяется по формуле,/ -йя "Гс ( 2 Й1: + Е, ),а энергия запасеннаяЧин-этим конденсатором, - согласно выражениюц -ЯК%С2,при заряде промеФ =, СЕ 1+Ежуточного накопителя энергии - конденсатора12 (14) на активном сопротивлении контура ивнутреннем сопротивлении источника рассежя Ес/Ливается энергия,Щ:" С,р 1 Е,2; поэтому заряд конденсаторов осуществляетсяс КПИ меньшим единицы, определяемым.согласао Соомула а 2 ас -и сиьВ нечетных полупериодах автогенерато-ра ток в цепи последовательного контура11, 12, потребляемый от источника, иэменяется по закону синуса и конденсатор12 заряжается практически до двойногонапряжения источника, В следующем полу-периоде (четном) при заряде конденсатора 14 открывается тиристор 7, в результате чего конденсатор 12 через дроссель11 разряжается на секцию батареи, соединенную последовательно с диодом 5, Токразряда конденсатора, изменяясь по синусоиде, становится равным нулю и тиристор 7 гаснет, В нечетных полупериодвх (кроме первого) конденсатор 14 черы дроссель 13 и тиристор 8 отдает энергию . секции батареи, соединенной последователь- но с диодом 4. ФТаким образом, нечетные импульсы бло ка 10 подаются на тиристоры 6 и 8, в 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.3 частоту автоколебаний этого блока. При равенстве частот от источника 3 потребляется ток, изменяющийся от нуля до мак. 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, активное сопротивление которых отлично от нуля, часть энергии, отдаваемой накопи телем-конденсатором, безвозвратно рассе ивается, в результате чего КПД разряда соответственно понижается. С погрещнос 7 ью, не превьппающей 5,2% этот коэффициент определяется формулой .4л 2 ц Д сь,где 1. - индуктивность дросселя в цепи разряда конденсатора. 4При такой передаче энергии источника,вначале в промежуточные конденсаторы,а затем в секции батареи, ток, потребляемый от источника, изменяется по гармоническому закону. Среднее значение это уго тока составляет 63,7% от его амцлитудного значения, равного отношению ЭДСисточника к его внутреннему сопротивлению. Импульсный характер тока, повышаяна 11% коэффициент формы тока, пример- уно на 23% увеличивает потери мощностина активных сопротивлениях контура заряда промежуточного накопителя (по сравнению с непрерывным током заряда батареив прототипе). Однако в связи с тем, чтомощносгь передаваемая в накопительныеконденсаторы, увеличивается при такойпередаче энергии источника более 4 ем вдва раза, мощность, передаваемая в нагрузку, соответственно возрастает,Введение в схему устройства дополнительных накопителей энергии-конденсаторов и дросселей (имеющих удельнуюмассу порядка 0,01-1 г/кВЛ ) приводит к увеличению абсолютных потерьмощности в активных сопротивлениях усчройства, однако за счет увеличения полезной мощности, передаваемой в нагрузку,КПД такой передачи энергии тоже увеличивается. Это позволяет почти вдвое уменьшить типовую мощность источ 1 пка (удвьная масса которого порядка 100 г/Вт),т.е. улучшить энергетические показателиустройства. Для обеспечения такой эффективной передачи энергии источника в секции батареи необходимо, чтобы зарядныйконтур имел достаточно высокую доброность (при добротности контура равной10, КПД заряда конденсатора 93%). Всвязи с тем, что при заряде конденсаторов 12 и 14 энергия рассеиваегся на активном сопротивлении потерь дросселя, атакже 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 Хс=1 ФСтак квк при резонансе Хь= хс, нв активное сопротивление потерь 8 "- ХЯ необходимо повьппение добротности контура.Решение указанной задачи может бытьв значительной мере упрощено, если после-.довательные хонгуры (11, 12 и 13, Х 4каждый) выполнить в виде двух или болееконтуров, коммутируемых нв одну и ту жесекцию батареи. Твк, если одну секц 1 по 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 нафиг. 1 сопротивление контура увеличивается в два раза (реактивное), в результате чего добротность контура также возрастает примерно в 2 раза. При трех (четырех) контурах добротность каждого будет в три-четыре раза выше, чем у одного исходного, вес дросселей и конденсаторов останется неизменньм, а надсжностьустройства увеличивается, Это создаетпредпосылки к выполнению устройства ввиде совокупности отдельных модулей с накопителямй,Увеличение добротности совокупностиконтуров приводит к повышению напряжения конденсаторов, что дополнительно увеличивает мощность в нагрузке и повышает зарядное напряжение.,Коммутация дополнительных модулей(15, 16 и 17, 18) - контуров с накопителями - может осуществляться одновре 16менпо с основными тиристорами (19,20и 21, 22). Пары тиристоров, осуществляющие заряд конденсаторов, включаются параллельно основным тиристорам, Кроме13того если блок 10 управления вентилямивыполнить в виде многофазного автогенератора, число фаз в котором равно Числумодулей с резонансными контурами, приходящимися на одну секцщо батареи а ти26ристоры, коммутирующие эти контуры, очпирать с соответствующим фазовым сдвигом, кроме повьпдения КПД устройстваможно также уменьшить неравномерностьотбора мощностей от источника, что дополнительно увеличивает отдачу энергии,позволяет уменьшить его типовую мощность, При выполнении автогенераторадвухфазным в первом такте первой фазывключаются тиристоры 6 и 8 и осущесчвляется заряд конденсатора 12. Первымтактом второй фазы отпираются тиристоры 19 и 21 - заряжается конденсатор16. Ток заряда этого конденсатора отстаоет на 90 от тока заряда конденсатора12, Во втором такте первой фазы открываются тиристоры 7 и 9, в результатечего конденсатор 14 заряжается, а конденсатор 12 разряжается. Во втором тактевторой фазы открываются тиристоры 20 уи 22 и осуществляется заряд конденсатора 18 и разряд конденсатора 16.Импульсы тока заряда конденсаторов12, 14 и 16, 18 сдвинуты на 90 ф, что характеризует потребление тока от источ ника с коэффициентом импульсации 0,133 против 0,667 в схеме с аднофазным ав тогенератором по фиг, 1. Поэтому типовая мощность источника в устройстве с многофазным автогенератором уменьшаегся более чем в 1,5 раза, по сравнению с устройством с однофазным генератором.Формула изобретенияУстройство 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, очсводы 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 вовнимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССР% 352338, Н 02 У 7/14,2. Авторское свидетельство СССР. Мерзляк 51 Подписноео комитета СССРи открытий5, Раушская набд.,4/ ИИПИ по д П г. Ужгород, ул. Проект ли вктор Е. Кравцова краж 857 дарственногзобретений рректор С. Шек