Устройство для питания нагрузки постоянным током

 

Использование: в составе автономных систем электроснабжения для питания потребителей от химических источников тока (ХИТ). Сущность изобретения: устройство для питания нагрузки содержит два или более ХИТ, развязанных между собой посредством полупроводниковых вентилей, подключенных к положительной клемме нагрузки, управляемые полупроводниковые элементы, диоды, импульсные трансформаторы, два управляемые полупроводниковые элемента, выполненные в виде транзисторов, два диода и импульсный трансформатор на каждую пару соединенных друг с другом ХИТ подключены по схеме LTD-трехполюсника. Благодаря перераспределению с помощью трехполюсника LDT-энергий двух смежных ХИТ и происходит выравнивание остаточной емкости параллельно работоающих источников при разряде. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к автономным системам электроснабжения постоянным током, в которых в качестве источников используются химические источники тока (ХИТ).

Известно устройство для питания нагрузки постоянным током, содержащее источник переменного тока, однофазный трансформатор, вторичная обмотка которого через двухполупериодный выпрямитель соединена с двумя параллельно включенными аккумуляторными батареями (АБ). АБ через полупроводниковые ключи подсоединены параллельно нагрузке.

Недостатком данного устройства являются низкие энергетические показатели, обусловленные различным запасом остаточной емкости АБ.

Известно устройство для питания нагрузки содержащее две АБ, подключенные через полностью управляемые тиристоры параллельно нагрузке, два трансформатора, первичные обмотки которых включены в цепи АБ, а вторичные обмотки шунтированы последовательным соединением диода и конденсатора, одной обкладкой связанного с выводом батареи. Генератор импульсов подключен к счетному входу триггера, прямой и инверсный выходы которого соединены с управляющими входами тиристоров. Между второй обкладкой упомянутых конденсаторов и выводами противоположной полярности первой и второй батарей включены два дополнительных тиристора. Первый элемент задержки выходом соединен с управляющим входом дополнительного тиристора, связанного с первой АБ, а входом подключен к инверсному выходу триггера. Второй элемент задержки входом соединен с прямым выходом триггера, а выходом связан с управляющим входом дополнительного тиристора, подключенного к второй АБ.

Недостатками данного устройства являются низкие энергетические показатели, обусловленные различным запасом остаточной емкости АБ.

Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности является устройство для питания нагрузки постоянным током, содержащее два или более ХИТ, развязанных между собой посредством полупроводниковых вентилей, подключенных к положительной клемме нагрузки, управляемые полупроводниковые элементы, диоды, импульсные трансформаторы, блоки управления, по числу ХИТ, выходами связанные с управляемыми полупроводниковыми элементами. Первичные обмотки трансформаторов включены в цепи ХИТ, а вторичные обмотки подсоединены параллельно этим источникам через диоды. Последовательно с вторичными обмотками соединены конденсаторы, а параллельно последовательным соединениям указанных обмоток с конденсаторами включены дополнительно диоды. Данное устройство обладает улучшенными удельными электрическими характеристиками за счет оптимальных параметров деполяризованных импульсов и частичной стабилизации разрядного напряжения ХИТ.

Недостатком данного устройства являются его низкие энергетические показатели, что обусловлено неравномерным запасом остаточной емкости источников вследствие различного энергопотребления от каждого из ХИТ из-за неравенства их внутренних сопротивлений или параметров разрядных цепей, а также из-за технологического разброса их конструктивных параметров. Отмеченный недостаток не может быть устранен ни режимными средствами, ни за счет усложнения аппаратурной реализации, в частности для проведения поэлементного контроля. Неравномерность отдачи емкости ХИТ ограничивает глубину разряда для исключения переполюсовки элементов, и, кроме того, уменьшает срок эксплуатации ХИТ и устройстве в целом.

Цель изобретения - повышение энергетических и эксплуатационных показателей путем выравнивания остаточных емкостей источников.

Это достигается тем, что в устройстве для питания нагрузки постоянным током, содержащем два или более ХИТ, развязанных между собой посредством полупроводниковых вентилей и подключенных к положительной клемме нагрузки, управляемые полупроводниковые элементы, диоды, импульсные трансформаторы, блоки управления по числу ХИТ, выходами связанные с управляемыми полупроводниковыми элементами, два управляемые полупроводниковые элемента, выполненных в виде транзисторов, два диода и импульсный трансформатор соединены друг с другом на схеме LDT-трехполюсника, подключенного к каждой паре соединенных друг с другом ХИТ. При этом первый полюс трехполюсника образован точкой соединения эмиттера первого транзистора и катода первого диода и подключен к положительной клемме одного ХИТ. Второй полюс образован точкой соединения эмиттера второго транзистора и катода второго диода и подключен к положительной клемме другого ХИТ. Третий полюс образован точкой соединения первых диодов обмоток импульсного трансформатора и подключен к отрицательной клемме нагрузки. Коллектор первого транзистора соединен с анодом первого диода и подключен к второму выводу первой обмотки трансформатора. Коллектор второго транзистора соединен с анодом второго диода и подключен к второму выводу второй обмотки трансформатора. Каждый ХИТ связан с отрицательной клеммой нагрузки через датчик тока (ДТ). Блок управления (БУ) выполнен в виде совокупности элемента сравнения (ЭС) порогового элемента (ПЭ), анализатора знака (АЗ), широтно-импульсного модулятора (ШИМ) и двух электронных ключей (ЭК). Входы БУ, соединенные с выходами ДТ, включенных в цепи двух смежных ХИТ, образованы входами ЭС, выход которого подключен к входам ПЭ и АЗ. Выход ПЭ подключен к входу ШИМ, первый выход которого соединен с первыми входами первого и второго ЭК, а второй выход которого образует третий выход БУ. Первый и второй выходы АЗ соединены соответственно с вторыми входами первого и второго ЭК, при этом выходы ЭК образуют соответственно первый и второй выходы БУ.

На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема силовой части предлагаемого устройства с тремя ХИТ; на фиг. 2 - вольт-амперная характеристика ХИТ.

Предлагаемое устройство содержит химические источники 1-3 тока, подключенные параллельно нагрузке 4, управляемые полупроводниковые элементы 5 и 6, диоды 7 и 8, импульсный трансформатор 9. Два элемента 5 и 6, выполненные в виде транзисторов, два диода 7 и 8 и импульсный трансформатор 9 соединены друг с другом по схеме LDT-трехполюсника 10, подключенного к каждой паре соединенных друг с другом ХИТ 1 и 2 (2 и 3, 3 и 1). Первый полюс трехполюсника образован точкой соединения эмиттера первого транзистора 5 и катода первого диода 7 и подключен к положительной клемме первого входящего в пару ХИТ. Второй полюс образован точкой соединения эмиттера второго транзистора 6 и катода второго диода 8 и подключен к положительной клемме входящего в пару ХИТ. Третий полюс образован точкой соединения первых выводов обмоток импульсного трансформатора 9 и подключен к отрицательной клемме нагрузки. Коллектор первого транзистора 5 соединен с анодом первого диода 7 и подключен к второму выводу первой обмотки трансформатора 9. Коллектор второго транзистора 6 соединен с анодом второго диода 8 и подключен к второму выводу второй обмотки трансформатора 9. Между отрицательными клеммами каждого ХИТ 1-3 и отрицательной клеммой устройства включены ДТ 12-14. Выходы ДТ 12 и 13 (13 и 14; 12 и 14), включенных в цепи каждой пары соединенных друг с другом ХИТ 1 и 2 (2 и 3; 1 и 3), подсоединены к входам ЭС 15, выход которого подключен к входам ПЭ 16 и АЗ 17, состоящего, например из компаратора и схемы НЕ. Выход ПЭ 16 подключен к входу ШИМ 18, выход которого через первый ЭК 19 соединен с эмиттер-базовой цепью транзистора 5, а через второй ЭК 20 - с эмиттер-базовой цепью транзистора 6. Первый выход АЗ 17 подключен к управляющему входу первого ЗК 19, второй выход АЗ 17 подсоединен к управляющему входу второго ЗК 20. ЭС 15, ПЭ 16, АЗ 17, ШИМ 187, ЭК 19 и 20 образуют БУ 21 (22 и 23). Между положительной клеммой каждого ХИТ 1-3 и положительной клеммой устройства включены развязывающие диоды 24 -26. Импульсный трансформатор 9 выполнен таким образом, что первый вывод первой обмотки является ее концом, а первый вывод второй обмотки - ее началом.

Устройство работает следующим образом.

Пусть в исходном состоянии ХИТ 1 разряжен в большей степени чем ХИТ 3, а ХИТ 3 разряжен в большей степени чем ХИТ 2, их вольт-амперные характеристики представлены кривыми на фиг. 2. В зависимости от величины тока нагрузки I_н напряжение на нагрузке U_н изменяется так, как изображено на фиг. 2 для двух различных токов I_н1<I. В каждом конкретном случае нагрузку питает (разряжаясь) наиболее заряженные ХИТ. Так для первого случая при небольшом токопотреблении ток нагрузки I_н1определяется следующим выражением: I_н1= I₁³+I₁², (1) где I₁³ - ток разряда ХИТ 3 при U_н= U_н1; I₁² - ток разряда ХИТ 2 при U_н= U_н1.

Для ХИТ 1 ток разряда I₁¹ равен нулю, поскольку разделительный диод 26 закрыт, так как напряжение ХИТ 2, равное по величине напряжению ХИТ 3, превышает напряжение на ХИТ 1. Учитывая, что АБ как и источник постоянного тока имеет минимальное внутренне сопротивление из используемых на практике, разряд АБ производится, как правило токами значительной величины, тем более в тех случаях, когда ХИТ соединены параллельно. Работа нескольких ХИТ, соединенных параллельно для малых величин тока, как правило, не используется.

Во втором случае при большем токе нагрузки I_н2 выражение (1) имеет следующий вид: I_н2= I₂¹+I₂²+I₂^3, где I₂¹ - ток разряда ХИТ 1 при U_н= U_н2; I₂² - ток разряда ХИТ 2 при U_н= U_н2; I₂³ - ток разряда ХИТ 3 при U_н= U_н2.

Работа устройства при I_н= I_н2. Сигнал, пропорциональный значению тока ХИТ 1, поступает в ЭС 15, БУ 21 и 23, сигнал, пропорциональный значению тока ХИТ 2, с ДТ 13 в ЭС 15, БУ 21 и 22, а сигнал, пропорциональный значению тока ХИТ 3, - с ДТ 14 в ЗС 15, БУ 22 и 23.

В БУ 21 сигнал I₂¹= I₂²-I₂¹ с выхода ЭС 15 подается на входы ПЭ 16 и АЗ 17. На выходе АЗ 17 формируется сигнал, обеспечивающий открытое состояние ЭК 19 и закрытое ЭК 20. В ПЭ 16 сигнал I₂¹, уровень которого пропорционален разности токов ХИТ 2 и 1, сравнивается с установкой I₃. Величина установки задается в зависимости от условий эксплуатации ХИТ.

I₂¹> I₃ БУ 2, что свидетельствует о необходимости выравнивания остаточной емкости источников (это реализовано для сбережения энергетического ресурса источников и эксплуатационного ресурса элементов преобразовательной части), сигнал с выхода ПЭ 16 поступает в ШИМ 18. На выходе ШИМ 18 формируется модулированный сигнал. Под действием импульсов этого сигнала через ЭК 19 периодически открывается первый транзистор 5. Длительность импульсов ШИМ 18 пропорциональна уровню его входного сигнала. Открытое состояние транзистора 5 обеспечивает накопление электромагнитной энергии импульсным трансформатором 9 от более заряженного, например, ХИТ 2 по цепи: "плюс" ХИТ 2 - эмиттер-коллекторный переход транзистора 5 - первая обмотка трансформатора 9 - ДТ 12 - "минус" ХИТ 2. По окончании действия импульса с выхода ШИМ 18 транзистор закрывается, полярность напряжения на второй обмотке трансформатора 9 изменяется на противоположную и открывается диод 8. Накопленная ранее в трансформаторе 9 электромагнитная энергия по цепи: вторая обмотка трансформатора 9 - диод 8 - ХИТ 1 - ДТ 12 - вторая обмотка трансформатора 9 поступает в ХИТ 1, подзаряжая его. Диод 7 при этом закрыт напряжением обратной полярности, создаваемым на первой обмотке трансформатора 9. При протекании всех описанных процессов транзистор 6 находится в закрытом состоянии из-за отсутствия сигнала на выходе первого ЗК 20. Через определенное число тактов работы устройства емкости ХИТ 1 и 2 и соответственно отдаваемые ими токи сравниваются. В БУ 22 сигнал I₂²= I₂³-I₂² с выхода ЭС 15 подается на входы ПЭ 16 и АЗ 17. На выходе АЗ 17 формируется сигнал, обеспечивающий открытое состояние ЭК 20 и закрытое ЭК 19. В ПЭ 10 сигнал I₂² сравнивается с установкой I3. Полагаем, что I₂²< I₃ (для второго случая), следовательно, необходимости выравнивания остаточной емкости ХИТ 2 по отношению с ХИТ 3 нет, и на выходе ПЭ 16 отсутствует сигнал включения ШИМ 18. Работа БУ 23 для второго рассматриваемого случая I_н= I_н2 аналогична работе БУ 22, т. е. необходимости выравнивания остаточной емкости ХИТ 1 по отношению ХИТ 3 нет. В случае, если самым разряженным оказывается ХИТ 2, а ХИТ 1 самым разряженным (ток ХИТ 2 меньше тока ХИТ 1), процессы в БУ 21 протекают аналогично. На выходе ПЭ 16 формируется сигнал, уровень которого пропорционален разности токов ХИТ 1 и 2, и поступает в ШИМ 18. На выходах АЗ 17 формируется сигнал, обеспечивающий открытое состояние первого ЭК 20 и закрытое состояние второго ЭК 19. Импульсы с выхода ШИМ 18 через открытый ЭК 20 периодически открывают второй транзистор 56. В результате накапливается электромагнитная энергия импульсным трансформатором 9 от более заряженного ХИТ 1 по цепи: "плюс" ХИТ 1 - эмиттер-коллекторный переход транзистора 6 - вторая обмотка трансформатора 9 - ДТ 11 - "минус" ХИТ 1. В интервалах между импульсами с выхода ШИМ 18 транзистор 6 закрывается, полярность напряжений на выходах обмоток трансформатора 9 изменяется на противоположную и открывается диод 7. Накопленная ранее в трансформаторе 9 электромагнитная энергия по цепи: первая обмотка трансформатора 9 - диоды 7 - ХИТ 2 - ДТ 13 - первая обмотка трансформатора 9 поступает в ХИТ 2, подзаряжая его. Диод 9 при этом закрыт напряжением обратной полярности, создаваемым на второй обмотке трансформатора 9.

БУ 22 и 23, АЗ 17 формируют сигнал, обеспечивающий открытое состояние ЭК 19 и закрытое ЭК 20. Через определенное число тактов работы устройства емкости ХИТ 1 и 2 и соответственно отдаваемые ими токи сравниваются. Работа устройства для первого случая при I_н= I_н1аналогично, однако, так как I₁¹< I₃ , I₁²< I₃ и I₁³< I₃ (см. фиг. 2), то соответственно БУ 21-23 ШИМ 18 не будут работать. Выравнивание емкостей ХИТ осуществляется за счет того, что нагрузка питается только от ХИТ 2 и 3, обеспечивая тем самым выравнивание емкостей ХИТ 2- 3 и 1.

В случае различной разряженности ХИТ 2 и 3, ХИТ 3 и 1 устройство работает аналогично с использованием LDT-трехполюсника 11, БУ 22 и 23, ДТ 13, 14 и 12, 14. Поскольку устройство обеспечивает одинаковую остаточную емкость каждой из пар соединенных друг с другом ХИТ 1 и 2, 2 и 3 и 1, то обеспечивается одинаковая остаточная емкость всех ХИТ, т. е. 1 и 2, 2 и 3, 1 и 3. ЭС 15 может быть выполнен на основе операционного усилителя, работающего в режиме вычитания выходных сигналов. ПЭ 16, предназначенный для сбережения ресурсов источника и обеспечивающий это за счет подзаряда более разряженного ХИТ от менее разряженного из двух смежных или двух крайних источников при достижении уровня разности их разрядных токов заданной предельной величины, может быть реализован на основе известного компаратора.

Положительный эффект, обусловленный отличительными признаками изобретения, заключается в повышении энергетических показателей ХИТ и устройства в целом путем выравнивания остаточной емкости параллельно работающих источников при разряде. При этом компенсируется технологический разброс конструктивных параметров источников или их комплектующих элементов (масса активных веществ электродов и т. п. ), а также различия параметров разрядных цепей. За счет выравнивания остаточной емкости обеспечивается возможность увеличения эксплуатационного разряда, так как переполюсовка источников исключается, если источники имеют законченное конструктивное исполнение (например, отдельный аккумулятор), или является маловероятной при исполнении источников в виде сборок из элементов (например, батареи последовательно соединенных аккумуляторов). По этой же причине предлагаемое устройство имеет лучшие эксплуатационные показатели, в частности срок эксплуатации. Кроме того, применение предлагаемого устройства позволяет увеличить глубину разряда применяемых АБ и обеспечить косвенный выигрыш в весовых характеристиках автономной системы электроснабжения постоянным током.

(56) Авторское свидетельство СССР N 690589, кл. H 02 J 7/34, 1979.

Авторское свидетельство СССР N 1256636, кл H 02 J 7/00, 1986.

Авторское свидетельство СССР N 877706, кл. H 02 J 7/00, 1981.

Справочник по преобразовательной технике. Под ред. И. М. Чиженко, Техника, 1978, с. 219, рис. 5.10.

Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры Справочник Г. С. Пайвельт и др. Под ред. Г. С. Пайвельта. М. : Радио и связь, 1985, с. 317-318, рис. 8.10.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПИТАНИЯ НАГРУЗКИ ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ, содержащее два или более химических источников тока, развязанных между собой посредством полупроводниковых вентилей, подключенных к положительной клемме нагрузки, управляемые полупроводниковые элементы, диоды, импульсные трансформаторы, блоки управления по числу химических источников тока, выходами связанные с управляемыми полупроводниковыми элементами, отличающееся тем, что, с целью повышения энергетических и эксплуатационных показателей путем выравнивания остаточной емкости источников, два управляемых полупроводниковых элемента, выполненных в виде транзисторов, два диода и импульсный трансформатор соединены друг с другом по схеме LDT-трехполюсника, подключенного к каждой паре соединенных друг с другом химических источников тока, при этом первый полюс трехполюсника образован точкой соединения эмиттера первого транзистора и катода первого диода и подключен к положительной клемме одного химического источника тока, второй полюс образован точкой соединения эмиттера второго транзистора и катода второго диода и подключен к положительной клемме другого химического источника тока, третий полюс образован точкой соединения первых выводов обмоток импульсного трансформатора и подключен к отрицательной клемме нагрузки, причем коллектор первого транзистора соединен с анодом первого диода и подключен к второму выводу первой обмотки трансформатора, коллектор второго транзистора соединен с анодом второго диода и подключен к второму выводу второй обмотки трансформатора, а каждый химический источник тока связан с отрицательной клеммой нагрузки через датчик тока.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок управления выполнен в виде совокупности элемента сравнения, порогового элемента, анализатора знака, широтно-импульсного модулятора и двух электронных ключей, при этом входы блока управления, соединенные с выходами датчиков тока, включенных в цепи двух смежных химических источников тока, образованы входами элемента сравнения, выход которого подключен к входам порогового элемента и анализатора знака, выход порогового элемента подключен к входу широтно-импульсного модулятора, первый выход которого соединен с первыми входами первого и второго электронных ключей, а его второй выход образует третий выход блока управления, первый и второй выходы анализатора знака соединены соответственно с вторыми входами первого и второго электронных ключей, при этом выходы электронных ключей образуют соответственно первый и второй выходы блока управления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2