Система для питания нескольких нагрузок постоянным током

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик нн 964856(б 1) Дополнительное к авт. саид-ву- (22) Заявлено 270581 (21) 3295278/24-07 с присоединением заявки Йо 1511 М. Кл.з Н 02 3 7/34 Государственный комитет СССР по делам изобретений н открытий) СИСТ ДЛЯ ПИТАНИЯ НЕСКОЛЬКИХ НАГРУЗ ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ 2 таниямулятор- каждом бб 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 навигацион ного 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 регистрнричем зарядоразрядные блоки оснащены устройствами контроля состояния аккумуляторов и могут иметь различное количество секций аккумуляторов 8).В известном устройстве пи нагрузок степень заряда акку ,ных батарей контролируется в зарядо-разрядном блоке, с цельюисключения их перезаряда. При этоМнадежная работа устройства (бесперебойное снабжение потребителей электроэнергией) обеспечивается толькопри условии баланса вырабатываемойзарядным источником постоянного тока энергии, достаточной для поддержания в заряженном состоянии всехсекций аккумуляторов, и потребляемойэнергии нагрузок. Нарушение баланса(увеличение потребляемой нагрузкамиэнергий) ведет к отказу в работе устройства из-за перезаряда аккумулято" 15 ров, Вероятность возникновениятакой аварийной ситуации возрастаетпри использовании в качестве заряд,ного источника постоянного тока радиоизотопного термоэлектрогенератора, 20 характеризующегосяограниченной мощеностью, и питания переменных по потребляемой энергии нагрузок,каковымиявляются, например, маячные средстванавигационного оборудования. Поэтому, 25 во избежание перезаряда аккумуляторов,питающих переменную по энергии нагрузку, баланс энергии рассчитывают помаксимально возможной потребляемой,энергии, допуская возможность другой 30 крайности в работе устройства - рату 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 периодыО 1 когда аккумуляторы заряжены, Хотя заряд гальванических элементов менее эффективен, чем заряд аккумуляторов, . бесполезные затраты энергии в этом случае уменьшаются, так как источник 5 заряда всегда сОединен электронным коммутатором либо с аккумуляторайи, либо с гальваническими элементами,Если при небольшой мощности нагру 4 зок (токи до 10 ампер) проблема кОмпенсации возможного деФицита энергии 2 О 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-.ЗО теристик. Поэтому возможность пере- заряда аккумуляторов в прототипе не устраняется известными средствами и вероятность его возрастает с увеличением мощности нагрузки. , 35Целью 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 ния аккумуляторов и входящие в состав соответствующего количества зарядо-разрядных блоков, источник постоянного тока, например, радиоизотопный термоэлектрогенератор, и систему управления зарядо-разрядными бло-ф нами, включающую тактовый генератор и регистр, введены автономный источник переменного тока, например, автоматический дизель-электрический агрегат, связанные с ним и зарядо" разрядными блоками управляемые выпрямители и логическме элементы пИф и "ИЛИ",соединенные с цепями управления зарядо-разрядных блоков своими входами и с цепями управления автоном 60 ным источником переменного тока - выходами, причем каждый управляемый выпрямитель связан с цепями управления соответствующего зарядо-разрядного 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 5 З, 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 дизель- электрический 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 характеризуетсятем, 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 й 1 ф.На чертеже приведены два варианта схем зарядо-разрядного блока 5, один из которых (5 з) является частным случаем общего решения (5 ) и не содержит лишь распределитель импульсов 23, за ненадобностью, так как в этом зарядо-разрядном блоке (5 з) 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 логической 1). Появление сигнала логическои1 на выводах 10 всех зарядо-разрядных блоков 54 - 54 вызывает срабатывание схемы только в первом зарядоразрядном блоке 54, который к этому уже подготовлен сигналом логической1 на выводе 11. В этом зарядо-разрядном блоке совпадение сигналов логической 1 на его выводах 104 и 114вызывает появление на выходе логического элемента И-НЕ 17 сигнала логического 0 и соответственно на выходеинвертора 22 сигнала логической 1,который одновременно поступает навход распределителя импульсов 23и на вход логического элемента И-НЕ 1518, другой вход которого уже имеет сигнал логической 1 устройства контроля. состояния аккумуляторов 16 (аккумуляторы в исходном положении заряжены). В результате на выходе логичесОкого элемента И-НЕ 18 сигнал логической 1 сменяется сигналом логическогоО и до окончания тактового импульса на выходе формирователя импульсапо заднему фронту входного сигнала 19 25появляется импульс, которйй вопервых, сбрасывает .распределитель импульсов 23 в исходное состояние и,во-вторых, пройдя диод 21 и вывод 12,воздействует на вход регистра 1, обес- Зпеиивая продвижение логической 1 на второй выход последнего. Аналогично ,происходит срабатывание схем остальных зарядо-разрядных блоков, в которых аккумуляторы заряжены. Йачало разряда в зарядо-разрядных блокаххарактеризуется некоторым уменьшением напряжения (0,1 В на аккумулятор)" на которое реагирует устройство контроля состояния аккумуляторов и изменяет свой сигнал на выводе 13 с логи 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 5 О аккумуляторов 15 получает импульсы ;зарядного тока длительностью, равной перйоду тактовых импульсов, постоянно(со скважностью, обусловлейной количеством секций аккумуляторов 15 во55 всех зарядо-разрядных блоках 5 - 5, При этом работа схемы каждого зарядоразрядного блока 5, начиная с первого, происходит следующим образом,задний фронт первого (после бло-, 4) кировки логического элемента И-НЕ 18 1 сигналом логического 0 от устройства контроля состояния аккумуляторов 16) тактового импульса вызывает появление на первом выходе распреде лителя импульсов 23 сигнала логической 1,который удерживается там в течение такта (пауза плюс нмпульс),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 244, 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. Запервым тактом следует второй, вызывающий появление потенциального сигнала на втором выходе распределителя импульсов 23 одновременно с исчезновением его с первого выхода. Приэтом 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 ячейки24 п в данном зарядо-разрядном блоке 5 по заднему фронту тактового импульса, соответствующему переходу последнего выхода распределителя импульсов 23 из состояния логической 1 в состояниелогический О, формирователь импульса по заднему фронту сигнала20 вырабатывает импульс, который, во-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 следующий (второй) вход последнего. Диоды 21 в зарядо-разрядных блоках выпол няют логическую функцию ИЛИ, обеспечивая развязку сигналов зарядо-разрядных блоков, поступающих через выводы 12 4 - 124 йа 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 54, 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 аккумуляторов16 этого блока и выдаст сигнал логической 1 на вывод 13, обеспечиваявыключение данного зарядо-разрядногоблока из кругового зарядного цикла.При этом скважность постоянно-импульсного режима заряда, оставшихся взарядном цикле зарядно-разрядныхблоков уменьшается на величину, соответствующую количеству секций аккумуляторов выключенного из зарядного кругового цикла зарядно-разрядного блока. По мере уменьшения ко личества работающих зарядо-разрядныхблоков, ввиду увеличения отключенных(блокированных) зарядо-разрядныхблоков, доля зарядной энергии, отдаваемой источником постоянного тока,оставшимся в круговбм зарядном циклеаккумуляторам, растет и процесс заряда, аккумуляторов ускоряется.- тСреди зарядо-разрядных блоков мо- .2 цгут быть такие, например, блок 5, в которых имеется всего одна секцийаккумуляторов 15. Поэтому в таком зарядо-разрядном блоке отсутствует распределитель импульсов 23 и такто вые импульСы поступают непосредственно на,управляемую ключевую ячейку 24,а также одновременно на вход формирователя импульса по заднему фронтусигнала 20, Далее работа схемы уст- ЗО ройства происходит аналогично опи санному выше.При увеличении мощности нагрузок и соответственно увеличении энергии,снимаемой с аккумуляторных батарейзарядо-разрядных блоков 5, работающийпостоянно источник постоянного тока3 (радиоизотопный термоэлектрогенератор) не восполняет полностью запасен. ную в аккумуляторах энергию и они начинают снижать свое напряжение. Ког- фф да напряжение аккумуляторной батареив каком-либо из зарядо-разрядныхблоков 5- 54 понизится до нижнего предельного уровня (1, 2 В на аккумулятор), срабатывает устройство 45контроля состояния .аккумуляторов 16этого блока и выдает сигнал логической 1 на вывод 14. Так как выводы 14всех зарядо-разрядных блоков 5, - 5связаны через логический элемент ИЛИ 5026, с целью управления автономнымисточником переменного тока 27 (например, с целью пуска дизель-электрического агрегата), последний начинаетвырабатывать переменный ток, поступаю-рщий в сеть, связывающую все управляемые выпрямители 4, - 44. Каждый из управляемых выпрямителей 44 - 41 своим выходом связан с выводами 6 и 7соответствующего зарядо-разрядного щблока 5, и поэтому начинается зарядаккумуляторов, причем в тех блоках 5, в которых аккумуляторы не:достигли максимального напряжения (1,4 - 1,5 Вна 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 логическийэлемент 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- дут иметь предельное по максимуму напряжение аккумуляторных батарей, т.е. когда все устройства 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 сочетать 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 изобретенияСистема 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,например радиоизотопный термоэлектрогенератор, и систему управления зарядо-разрядными блоками, включаюцуютактовый генератор и регистр, о тл и ч а ю ц а я с я тем, что, сцелью увеличения моцности нагрузок 5и повышения надежности путем исключения нерезаряда аккумуляторов, введены автономный источник переменноготока, например, автоматический дизельэлектрический агрегат,. связанные сним и зарядо-разрядными блоками управляемые выпрямители и логическиеэлементы И и ИЛИ, соединенные с цепями управления зарядо-разрядныхблоков своими входами и с цепямиуправления автономным источникомпеременного тока - выходами, причемкаждый управляемый выпрямитель связан с цепями управления соответствующего зарядо-разрядного блока. Источники инФормации,принятые во внимание прн экспертизе1Авторское свидетельство СССРР 690589, кл. Н 02 3 7/34, 1973.2, Авторское свидетельство СССРР 748665, кл. Н 02 3 7/34, 1978. 3. Патент США Р 3947743, кл,кл. 320-2, 1976.4, Патент Великобритании Р 1420586,кл. Н 2 Н, 1976.5 Патент ФРГ Р 2502049,кл. Н 02 3 7/34, 1977.6. Заявка Японии Р 51-10651,кл. 57 АО.7. Патент. Франции Р 2300451,кл, Н 02 3 7/34, 1976.8. Авторское свидетельство СССРпо заявке Р 2977751,кл. Н 02 3 7/34, 1980.