Устройство для накопления электрической энергии

(51)5 Н 02 3 15 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР(71) Институт проблем управления(56) Авторское свидетельство СССРМ 604084, кл. Н 02 3 15/00, 1975..Фрюнгель Ф. Импульсная техника, Генерирование и применение разрядов конденсаторов. М. - Л,: Энергия, 1965, с. 13,рис. 1, с. 39, рис 13, с,206, рис. 86.Гисбург С,Г. Методы решения задач попереходным процессам. М.: Высшая школа,1967, с. 54, рис 11.17,Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для накопления электрической энергии в составе резервированных или импульсных автономных систем электропитания,Цель изобретения - увеличение эффективной энергоемкости.На фиг. 1 преведена структурная схема предложенного устройства; на фиг. 2-4 - примеры реализации блока амплитудной селекции и пороговых элементов; на фиг, 5 и 6 - временные диаграммы, иллюстрирующие работу устройства и его отдельных узлов. Устройство (фиг. 1) содержит батарею 1 накопительных элементов в виде и включенных последовательно конденсаторов 2, и дифференциальных усилителей 3, и элементов 4 задержки, блок 5 амплитудной селекции, и элементов И 6, и ключей 7, и шунтовых резисторов 8, и диодов 9, ограниЫ 1631661 А(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАКОПЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ(57) Изобретение относится к электротехнике. Цель изобретения - увеличение эффективной энергоемкости. Устройство позволяет в результате отслеживания заряда каждого последовательно включенного конденсатора и управления зарядом конденсаторов путем их шунтирования осуществить заряд каждого из конденсаторов равномерно и получить на каждом конденсаторе и на всей батарее требуемый уровень рабочего напряжения, 6 ил. чительный резистор 10, коммутатор 11, датчик 12 тока, первый пороговый элемент 13, второй порогодьй элемент 14 и третий пороговый элемент 15. При этом входная шина устройства 16 через коммутатор 11 и ограничительный резистор 10 соединена с выходной шиной 17 и с первьм выводом батареи 1 накопительных элементов, второй вывод которой через датчик 12 тока соединен с шиной нулевого потенциала (не обозначена) и через первый пороговый элемент 13 - с первыми входами всех элементов И 6,Первый вывод каждого из ключей 7 соединен с первым выводом соответствующего конденсатора 2 батареи 1 накопительных элементов, с первым выводом соответству- . ющего дифференциального усилителя 3 и с первым выводом одного из диодов 9, второй вывод которого соединен с вторым выводом того же дифференциального усилителя 3, с вторым выводом того же конденсатора 2 ичерез один из шунтовых резисторов 8 - с вторым выводом того же ключа 7, вход 18 управления которого соединен с выходом соответствующего элемента И 6. Выход каждого из дифференциальных усилителей 3 через один из элементов 4 задержки соединен с соответствующим входом блока 5 амплитудной селекции, адресные выходы 19 которого соединены с вторыми входами элементов И 6,Вход 20 управления коммутатора 11 соединен с третьими входами элементов И 6 и с выходом второго порогового элемента 14, вход которого соединен с информационным выходом 21 блока 5 амплитудной селекции и через третий пороговый элемент 15 - с четвертыми входами элементов И 6.Блок 5 амплитудной селекции (фиг, 2) содержит и операционных усилителей 22, и компараторов 23, и диодов 24, п резисторов 25, и резисторов 26 и инвертор 27. При этом каждый из входов блока 5 амплитудной селекции через один из резисторов 25 соединен с инвертирующим входом 28 соответствующего операционного усилителя 22 и с первым выводом одного из резисторов 26, вторые выводы которых соединены с первыми вывоцами диодов 24 и через инвертор 27 - с информационным выходом 21 блока 5 амплитудной селекции. Выход каждого из операционных усилителей 22 соединен с вторым выводом одного из диодов 24 и неинвертирующим входом 29 соответствующего компаратора 23, выход которого соединен с соответствующим адресным выходом 19 блока 5 амплитудной селекции, а неинвертирующие входы 30 операционных усилителей 22 и неивертирующие входы 31 компараторов 23 соединены с шиной нулевого потенциала (не обозначена),Пороговые элементы 13 и 15 выполнены по идентичной структуре (фиг. 3) и содержат компаратор 32 и источник 33 напряжения, соединенный выходом с инвертирующим входом 34 компаратора 32, неинвертирующий вход 35 и выход которого являются соответственно входом и выходом пороговых элементов 13 и 15,Пороговый элемент 14 (фиг. 4) содержит компаратор 36, коммутатор 37, источники 38, 39 напряжения, резистор 40 и конденсатор 41, При этом вход порогового элемента 14 соединен с инвертирующим входом 42 компаратора 36, выход которого соединен с выходом порогового элемента 14 и входом 43 управления коммутатора 37, подключенного первым и вторым входами к выходам источников 38, 39 напряжения, а неинвертирующий вход 44 компаратора 36 черезрезистор 40 соединен с выходом коммутатора 37 и через конденсатор 41 с шиной нулевого потенциала (не обозначена),В предложенном устройстве напряжеф 5 ние 016 на входной шине 16, сопротивление К 10 резистора 10, напряжение Озз источника 33 порогового элемента 13, коэффициент передачи Кз дифференциальных усилителей 3,напряжение Озз источника ЗЗ порогового 10 элемента 15, напряжения О 38, ОЗ 9 источников 38, 39 порогового элемента 14, сопротивления В 25, Я 26 резисторов 25, 26 блока 5 амплитудной селекции, задержка т 4 элементов 4 и сопротивления йв резисторов 8 15 должны удовлетворять условиям: О 16пО 2 рО 16 8101 16 макс 20 ОЗЗ. (О 16 пО 2 р)1Й 10 г - О Змакс КЗ2 рО 38 = КЗО 2 р, (1) 25 О 39 С О 32; О 33 ( О 39; Й 5 =М 5; 4т 7О 2 В 10О 16 пО 2 р гДе 02 р - Рабочее напРЯжение конДенсаторов 2 батареи накопительных элементов 1;16 макс. - МаКСИМаЛЬНЫй тОК ВНЕШНЕГО источника, Я 12 - сопротивление датчика 12 тока, Озмакс - максимальное выходное напряжение дифференциальных усилителей 3; 40 т 7 быстродействие ключей 7.При этом полярность входов дифференциальных усилителей 3 и направление включения диодов 7 (фиг, 1) соответствуют положительному напряжению внешнего источника на входной шине 16 и положительным импульсам на выходной шине 17, Для формирования выходных сигналов отрицательной полярности необходимо в предложенном устройстве изменить направление включения элементов 3, 7 на противоположное и подключить к входной шине 16 отрицательную шину внешнего источника,Устройство работает следующим обра- . зом,Предположим, что в некоторый момент, например, непосредственно после включения, напряжения на всех конденсаторах 2 батареи 1 накопительных элементов, в частности на конденсаторах 2 (фиг. 5 а) и 2"1деляет нулевой уровень напряжения на выходах дифференциальных усилителей 3, поступающего через элементы 4 задержки навходы блока 5 амплитудной селекции 5 иформирующего нулевое напряжение на его 5ииформационнои выходе 21 (фиг. 5 в).Сигнал с информационного выхода 21блока 5 амплитудной селекции поступает навход порогового элемента 15 и далее нанеинвертирующий вход 35 его компаратора 1032, формирующий "0" на его выходе и навыходе порогового элемента 15 (фиг. 5 г),который поступает на четвертые входы элементов И 6 и закрывает их, переводя всеключи 7 в закрытое состояние. Кроме того, 15сигнал с информационного выхода 21 блока5 амплйтудной селекции (фиг. 5 в) поступаетна вход порогового элемента 14 и далее наинвертирующий вход 42 компаратора 36,устанавливая на его выходе "1", поступающую на выход порогового элемента 14(фиг. 5 д), а также на вход управления 43коммутатора 37, При этом перекидной контакт коммутатора 37 соединяется с его первым входом, вследствие чего сигнал с 25выхода источника 33 напряжения черезкоммутатор 37 и резистор 40 поступает нанеинвертирующий вход 44 компаратора 37,подтверждая логическое состояние его выхода (фиг. 5 д), а также одну из обкладок 30конденсатора 41, фиксируя на нем напряжение источника 38.Логическая "1" с выхода пороговогоэлемента 14 (фиг. 5 д) поступает на третьивходы элементов И 6 и на вход 20 управления коммутатора 11, что приводит к его замыканию, поэтому при появлениинапряжения внешнего источника на входной шине 16 (фиг. 5 е) в цепи: Коммутатор 11 -конденсаторы 2 батареи 1 накопительных 40элементов - датчик 12 тока - шина нулевогопотенциала, возникает ток, величина которого отражается напряжением на выходедатчика 12 тока (фиг. 5 ж), поступающим навход порогового элемента 13 и далее на 45неинвертирующий вход 35 компаратора 32,на выходе которого(благодаря выполнениюусловий (1 формируется "1" (фиг. 5 з), поступающая на первые выходы элементов И 6,По мере заряда конденсаторов 2 напряжение на каждом из иих увеличивается,причем напряжение на конденсаторе с наименьшей емкостью, например, на конденсаторе 2 (фиг. Ба), увеличивается быстрее, чемна других конденсаторах, например на конденсаторе 2" (фиг, 5 б),Уровень заряда каждого из конденсаторов 2 отражается напряжением на выходесоответствующего дифференциального усилителя 3, сигналы с выходов которых через . элементы 4 задержки поступают на входы блока 5 амплитудной селекции и далее через резисторы 25 - на иивертирующие выходы 28 операционных усилителей 22, один из которых, в данном случае операционный усилитель 22, находится в линейном режи 1ме и напряжение на его выходе повторяет напряжение иа соответствующем входе блока 5 амплитудной селекции с учетом ин- версии сигнала и смещения на величину падения напряжения на диодо 24, что приводит к формированию "1" на выходе комцаратора 23 и на выходе 19 блока 5 амплитудной селекции (фиг. Би), а напряжение на выходах других операционных усилителей 22 имеет положительный уровень насыщения, что приводит к ормироваиию на выходах компараторов 23 23" и на выходах 19 19" (фиг. 5 к) логических "0",Напряжение с информационного выхода 21 блока 5 амплитудной селекции (фиг, 5 в), отражающее напряжение на одном из конденсаторов 2, в данном случае напряжение на конденсаторе 2 (фиг. 5 а), поступает иа вход порогового элемента 15 и далее на неинвертирующий вход 35 компаратора 32, формируя на его выходе "1" (фиг. 5 г) в момент превышения напряжении источника 33 этого элемента, которая поступает на четвертые входы элементов И 6. При этом на выходе элемента И 6 формируется "1" (фиг, 5 л), поступающая на вход 18 управления ключа 7 и переводящая его во включенное состояние, вследствие чего шунтовой резистор 8 оказывается включенным параллельно конденсатору 2 и шунтирует величину протекающего через него зарядного тока, что приводит к уменьшению скорости нарастания напряжения на этом конденсаторе (фиг. 5 а).По истечении некоторого времени лидирующим становится напряжение на некотором другом конденсаторе 2, напоимер на конденсаторе 2" (фиг, 2 б), что приводит к появлению "1" на соответствующем входе 19, в данном случае на выходе 19" блока 5 амплитудной селекции (фиг. Бк), открыванию ключа 7" и шунтированиюконденсатора 2" шунтовым резистором 8", уменьшающим скорость заряда этого конденсатора на некоторое время, большее величинь 74 (фиг. 5 б).В дальнейшем устройство работает аналогичным образом, поддерживая релаксационньй процесс в блока 5 амплитудной селекции и формируя на каждом из его адресных выходов 19 импульсы такой скважности, что. заряд всех конденсаторов2 происходит практически равномерно и по истечении соответствующего времени напряжение на каждом из них практически достигает величины Огр, что приводит к появлению "0" на выходе компаратора 36 порогового элемента 14 (фиг. 5 д), закрывающей коммутатор 11 и прекращающей зарядку батареи 1 накопительных элементов, а также поступающей на четвертые входы элементов И 6 и закрывающей их, прекращая шунтирование конденсаторов 2 резисторами 8, Кроме того, "0" с выхода компаратора 36 (фиг. 5 д) поступает на вход 43 управления коммутатора 37, подключая неинвертирующий вход 44 компаратора 36 к выходу источника 39 напряжения и снижая уровень срабатывания порогового элемента 14, что исключит " дребезг" коммутатора 11 при снижении напряжения на конденсаторах 2 вследствие их естественного саморазряда,При подключении внешнего потребителя к выходной шине 17 возникает ток в цепи конденсаторов 2, протекающий также через датчик 12 тока и вызывающий падение напряжения на нем(фиг. 5 ж), поступающий на вход порогового элемента 13 и фиксирующий "0" на его выходе (фиг, 5 з), закрывающий элементы И 6. При этом по мере разряда конденсаторов 2 напряжение на них уменьшается (фиг, 5 а, б), причем наиболее быстро уменьшается напояжение на конденсаторе наименьшей емкости, в данном случае на конденсаторе 2 (фиг, 5 а), и вгнекоторый момент напряжение на этом конденсаторе меняет полярность, что приводит к открыванию диода 9, препятствующего перезарядке конденсатора 2 и замыкаю 1щего через себя цепь выходного тока устройства в целом. По мере разряда остальных конденсаторов 2 в соответствующий момент переключаются другие диоды 9, обеспечивая питание нагрузки до полного разряда конденсатора 2 с наибольшей емкостью, обеспечивая передачу потребителю энергиии: с," Ы,2где Сб - суммарная емкость батареи,которая для случая батареи 1 из двух конденсаторов 2 с номинальной емкостью Со идопусками Л С составляет, Сг -ЛсгИ/ = ОгрСоВ процессе разряда конденсаторов 2напряжение на информационном выходе 21блока 5 амплитудной селекции становитсяменьше напряжения источника 39 порогового элемента 14, на выходе которого в соответствующий момент формируется "1"(фиг, 5 д), открывающая коммутатор 11, поэтому при использовании тока внешнего потребителя устройство автоматически .5 переходит в режим накопления энергии вбатареи 1 для последующих циклов разряда.Использование в предложенном устройстве новых элементов в их связи с изве 10 стными узлами выгодно отличает его отизвестного, выбранного за прототип, таккак позволяет в тех же конденсаторах 2 баратеи 1 накопить большее количество энергии и полностью передать ее потребителю в15 процессе разрядки,формула изобретенияУстройство для накопления электрической энергии, содержащее батарею извключенных последовательно накопитель 20 ных элементов, первый вывод которой соединен с выходой шиной устройства и черезвключенные последовательно ограничительный резистор и коммутатор с его входной шиной,отличающееся тем,что,с25 целью увеличения эффективной энергоемкости, в него введены и диодов, и дифферециальных усилителей, и ключей, и шунтовыхрезисторов, и элементов И, и элементов задержки, датчик тока, блок амплитудной се 30 лекции и три пороговых элемента, один изкоторых - с гистерезисом, причем второйвывод батареи накопительных элементовчерез датчик тока соединен с шиной нулевого потенциала и через первый пороговый35 элемент - с первыми входами элементов И,выходы которых соединены с входами управления ключей, первый вывод каждого изкоторых соединен с первым выводом соответствующего накопительного элемента, с40 первым входом соответствующего дифференциального усилителя и с первым выводом одного из диодов, второй выводкоторого соединен с вторым входом того жедифференциального усилителя, с вторымвыводом того же накопительного элементаи через один из шунтовых резисторов - свторым выводом того же ключа, а выходыдифференциальных усилителей через соответствующие элементы задержки соедине 50 ны с входами блока амплитудной селекции,адресные выходы которого соединены с вторыми входами элементов И, третьи входыкоторых соединены с входом управлениякоммутатора и с входом второго порогового55 элемента, выполненного с гистерезисом,вход которого соединен с информационнымвыходом блока амплитудной селекции, который через пороговый элемент соединен счетвертыми входами элементов И, 16316611631661 Фиг, ХХХХ ХХХХ 6 акспление энерго РРектоР И Му Редактор М.Келеме каз 553 Тираж 322 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 изводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 Составитель К.Фоти Техред М.Моргентал Храиеюге днерои1 а