Пристрій для живлення споживачів постійним струмом

1. Пристрій для живлення споживачів постійним струмом, що містить батарею послідовно з'єднаних акумуляторів, яка має перший вивід від початку батареї, другий вивід від кінця батареї і проміжний вивід, підзарядний агрегат постійного струму, пари затискачів для підключення споживачів, вимірювальні перетворювачі струму, причому вихід постійного струму підзарядного агрегата з'єднаний з першим та другим виводами батареї відповідно полярності останньої, перший затискач кожної пари затискачів для підключення споживачів з'єднаний з першим виводом батареї, а другий затискач хоча б однієї із пар затискачів з'єднаний з проміжним виводом батареї, який відрізняється тим, що до нього уведені дросель з першим і другим виводами, ключ з управляючим входом і двома виводами головного кола, напівпровідниковий діод, пороговий пристрій з виходом і двома входами: управляючим і опорним, - причому, перший вивід дроселя з'єднаний з проміжним виводом бата A (54) ПРИСТРІЙ ДЛЯ ЖИВЛЕННЯ СПОЖИВАЧІВ ПОСТІЙНИМ СТРУМОМ 31251 щення потужності споживача, а середній рівень споживання електричної енергії дорівнює постійному (основному). В іншому випадку відбувається суттєво неоднаковий розряд акумуляторів, які складають батарею. Таким чином, до недоліків пристрою, що розглядається, слід віднести: 1. Неможливість підтримання однакового стану акумуляторів батареї при її роботі в режимі зі змінним навантаженням. 2. Відсутність у складі пристрою елементів утримання батареї акумуляторів, які б забезпечили стан акумуляторів в батареї, відповідний вимогам нормативних документів. Ці недоліки знижують надійність пристрою і негативно впливають на ресурс батареї акумуляторів. Відомо також про пристрій для живлення споживачів постійним струмом (авторське свідоцтво СРСР № 1259410 кл. Н0217/34, Бюл. № 35, 1986 p.), що містить батарею послідовно з'єднаних акумуляторів, яка має перший вивід від початку батареї, другий вивід від кінця батареї і проміжний вивід, підзарядний агрегат з виходом постійного струму, пару затискачів для підключення споживачів, причому вихід постійного струму, підзарядного агрегата з'єднаний з першим та другим виводами батареї відповідно полярності останньої, перший затискач пари затискачів для підключення споживачів з'єднаний з першим виводом батареї. В цьому пристрої другий затискач пари затискачів за допомогою комутаційної апаратури з'єднується або з другим виводом батареї, або з одним із проміжних виводів, що дозволяє підтримувати потрібний рівень напруги живлення. До пристрою уведені крім підзарядного агрегата, який забезпечує утримання батареї в цілому, додаткові перетворювачі змінного струму в постійний, які підключені до груп акумуляторів, зв'язаних з проміжними виводами. Введення додаткових підзарядних пристроїв покращує режим утримання батареї, але і цей пристрій має недоліки. У цьому пристрої, незважаючи на наявність додаткових підзарядних пристроїв, не забезпечується повною мірою однаковий стан акумуляторів в батареї, коли другий затискач пари затискачів для підключення споживачів з'єднаний з проміжним виводом батареї. В такому випадку група акумуляторів, зв'язана з проміжним виводом, до якого приєднаний другий затискач пари затискачів, і другим виводом батареї, тільки отримує енергію від підзарядного пристрою, у той час коли усі інші акумулятори в батареї як віддають енергію споживачу, так і отримують від відповідного підзарядного агрегата. Тобто, стан акумуляторів залежить від навантаження і часу роботи батареї акумуляторів у режимі, що розглядається, і потрібні відповідні дії оператора для приведення акумуляторів батареї до однакового стану. Це знижує функціональну надійність пристрою і негативно впливає на ресурс акумуляторів. Найбільш близьким до розв'язання поставленої задачі (прототипом даного винаходу) є пристрій для живлення споживачів постійним струмом (Справочник по проектированию электроснабжения / Под ред. В.И. Круповича, Ю.Г. Барыбина, М.Л. Самовера. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1980. - С. 353), що містить батарею по слідовно з'єднаних акумуляторів, яка має перший вивід від початку батареї, другий вивід від кінця батареї і проміжний вивід, підзарядний агрегат з виходом постійного струму, пари затискачів для підключення споживачів, вимірювальні перетворювачі струму, причому вихід постійного струму підзарядного агрегата з'єднаний з першим та другим виводами батареї відповідно полярності останньої, перший затискач кожної пари затискачів для підключення споживачів з'єднаний з першим виводом батареї, а другий затискач хоча б однієї із пар затискачів з'єднаний з проміжним виводом батареї. Цей пристрій може забезпечити живлення споживачів з різним рівнем напруги живлення: наприклад, група споживачів, яка підключена до першого і другого виводів батареї, отримує живлення з напругою, що дорівнює напрузі усієї батареї, а група споживачів, яка підключена до першого і проміжного виводів батареї, отримує живлення з напругою, що дорівнює напрузі частини батареї. У пристрої передбачені заходи для забезпечення однакового струму усіх акумуляторів батареї у режимах заряду, дозаряду і розряду незважаючи на підключення споживача (споживачів) до частини батареї. З цією метою до складу пристрою введений реостат зі змінним опором, який приєднаний до проміжного і другого виводів батареї. Якщо опір згаданого реостата встановлений таким, що струм у колі реостата дорівнює струму споживача (споживачів), підключених до першого і проміжного виводів батареї, то усі акумулятори батареї мають знаходитися у однаковому стані. Значення струму у колі реостата (або значення струму у інших колах пристрою) контролюється за допомогою вимірювальних перетворювачів струму (шунтів), а зміна опору реостата виконується оператором згідно показанням вказаних вимірювальних перетворювачів струму. Таким чином, впливаючи на опір реостата можно забезпечити однаковий стан акумуляторів батареї, але цей вплив здійснюється оператором, тобто не автоматично, тому при змінах навантаження збіжність струмів у колах реостата і споживача, що підключений до першого і проміжного виводів батареї, порушується, і режим акумуляторів батареї стає неоднаковим. Крім того, мають місце значні втрати енергії у колі реостата, зумовлені проходженням по цьому колу струму, що дорівнює струму навантаження. З розглянутого вище виходить, що і цей пристрій має недоліки: 1. Неможливість автоматичного підтримання однакового стану акумуляторів батареї при її роботі в нормальному режимі зі змінним навантаженням. 2. Значні втрати енергії у колі реостата, які тим більше, чим більша різниця між напругою усієї батареї та напругою її частини, що з'єднана з першим і проміжним виводами. Вказані недоліки знижують коефіцієнт корисної дії пристрою і утруднюють його експлуатацію, тому що ставлять підвищені вимоги до дій оперативного персоналу, від яких залежить стан акумуляторів і, як наслідок, ресурс акумуляторів батареї. В основу винаходу поставлено задачу удосконалення пристрою для живлення споживачів постійним струмом шляхом введення додаткових елементів і встановленням зв'язків між існуючими і додатково введеними елементами забезпечити 2 31251 підвищення коефіцієнта корисної дії пристрою та спростити його експлуатацію при підвищенні стабільності підтримання однакового стану акумуляторів у батареї, за рахунок чого зменшується імовірність негативного впливу на ресурс акумуляторів. Задача, що поставлена, вирішується тим, що у пристрій для живлення споживачів постійним струмом, що містить батарею послідовно з'єднаних акумуляторів, яка має перший вивід від початку батареї, другий вивід від кінця батареї і проміжний вивід, підзарядний агрегат з виходом постійного струму, пари затискачів для підключення споживачів, вимірювальні перетворювачі струму, причому вихід постійного струму підзарядного агрегата, з'єднаний з першим та другим виводами батареї відповідно полярності останньої, перший затискач кожної пари затискачів для підключення споживачів з'єднаний з першим виводом батареї, а другий затискач хоча б однієї із пар затискачів з'єднаний з проміжним виводом батареї, уведені дросель з першим і другим виводами, ключ з управляючим входом і двома виводами головного кола, напівпровідниковий діод, пороговий пристрій з виходом і двома входами: управляючим і опорним, - причому перший вивід дроселя з'єднаний з проміжним виводом батареї, другий вивід дроселя з'єднаний з першим виводом головного кола ключа, другий вивід вказаного кола ключа з'єднаний з другим виводом батареї, точка з'єднання другого виводу дроселя і першого виводу головного кола ключа з'єднана через напівпровідниковий діод з першим виводом батареї, причому, напівпровідниковий діод включений назустріч напрузі батареї, управляючий вхід ключа з'єднаний з виходом порогового пристрою, а управляючий вхід вказаного порогового пристрою з'єднаний з виходом вимірювального перетворювача струму. Крім того, в окремому випадку, з'єднання другого затискача хоча б однієї із пар затискачів з проміжним виводом батареї і з'єднання першого виводу дроселя з тим же проміжним виводом батареї здійснене через один вимірювальний перетворювач струму, вихід якого з'єднаний з управляючим входом порогового пристрою, а опорний вхід вказаного порогового пристрою з'єднаний з точкою нульового потенціалу. В іншому випадку, з'єднання першого виводу дроселя з проміжним виводом батареї здійснене через перший вимірювальний перетворювач струму, вихід якого з'єднаний з управляючим входом порогового пристрою, а з'єднання другого затискача хоча б однієї із пар затискачів з тим же проміжним виводом батареї здійснене через другий вимірювальний перетворювач струму, вихід якого з'єднаний з опорним входом згаданого порогового пристрою, а вихід цього порогового пристрою виконано інверсним. Саме завдяки тому, що до пристрою для живлення споживачів постійним струмом уведені дросель з першим і другим виводами, ключ з управляючим входом і двома виводами головного кола, напівпровідниковий діод, пороговий пристрій з виходом і двома входами: управляючим і опорним, причому перший вивід дроселя з'єднаний з проміжним виводом батареї, другий вивід дроселя з'єднаний з перший виводом головного кола ключа, другий вивід вказаного кола ключа з'єднаний з другим виводом батареї, точка з'єднання другого виводу дроселя і першого виводу головного кола ключа з'єднана через напівпровідниковий діод з першим виводом батареї, причому, напівпровідниковий діод включений назустріч напрузі батареї, управляючий вхід ключа з'єднаний з виходом порогового пристрою, а управляючий вхід вказаного порогового пристрою з'єднаний з виходом вимірювального перетворювача струму, досягається підвищення коефіцієнта корисної дії пристрою та спрощення його експлуатації при підвищенні стабільності підтримання однакового стану акумуляторів у батареї. Це забезпечується тим, що періодичне включення та відключення ключа обумовлює проходження у колі дроселя струму, середнє значення якого дорівнює струму споживача (споживачів), що приєднаний (приєднані) до першого і проміжного виводів батареї, тобто струм розряду усіх акумуляторів батареї буде однаковим. Такий режим підтримується автоматично як при постійному, так і при змінному навантаженні, тобто забезпечується висока стабільність підтримання однакового стану акумуляторів в батареї, спрощується експлуатація пристрою (не потрібні спеціальні дії оперативного персоналу, скеровані на постійний контроль стану акумуляторів), зменшується негативний вплив на ресурс акумуляторів. Зважаючи також на те, що активний опір кола дроселя має незначну величину, втрати енергії у цьому колі теж будуть незначні (у порівнянні з втратами енергії у колі реостата, який використовується у пристрої, що розглядається як прототип), тобто суттєво підвищується коефіцієнт корисної дії пристрою. Перелік фігур: фіг. 1 - схема електрична функціональна пристрою для живлення споживачів постійним струмом. Виконання 1 (згідно пп. 1 і 2 формули винаходу); фіг. 2 - схема електрична функціональна пристрою для живлення споживачів постійним струмом. Виконання 2 (згідно пп. 1 і 3 формули винаходу); фіг. 3 - діаграми сигналів у колах схеми електричної функціональної пристрою для живлення споживачів постійним струмом, відповідного виконанню 1; фіг. 4 - діаграми сигналів у колах схеми електричної функціональної пристрою для живлення споживачів постійним струмом, відповідного виконанню 2. Пристрій для живлення споживачів постійним струмом, відповідний виконанню 1, тобто згідно пп. 1 і 2 формули винаходу, (див. фіг. 1) і відповідний виконанню 2, тобто згідно пп. 1 і 3 формули винаходу, (див. фіг. 2) містить: батарею 1 послідовно з'єднаних акумуляторів, яка має перший вивід 2 від початку батареї, другий вивід 3 від кінця батареї і проміжний вивід 4; підзарядний агрегат 5; першу пару затискачів 6 для підключення споживачів, яка має перші затискач 7 і другий затискач 8; другу пару затискачів 9 для підключення споживачів, яка має перший затискач 10 і другий затискач 11; 3 31251 дросель 12 з першим виводом 13 і другим виводом 14; ключ 15 з управляючим входом 16 і першим виводом 17 головного кола та другим виводом 18 головного кола; напівпровідниковий діод 19; пороговий пристрій 20 з виходом 21 і двома входами: управляючим 22 і опорним 23. Вихід постійного струму підзарядного агрегата 5 з'єднаний з першим виводом 2 і другим виводом 3 батареї 1 відповідно полярності цієї батареї. Перший затискач 7 пари затискачів 6 і перший затискач 10 пари затискачів 9 з'єднані з першим виводом 2 батареї 1. Другий затискач 8 пари затискачів 6 з'єднаний з проміжним виводом 4 батареї 1, а другий затискач 11 пари затискачів 9 з'єднаний з другим виводом 3 батареї 1. Другий вивід 14 дроселя 12 з'єднаний з першим виводом 17 ключа 15, а точка з'єднання цих виводів через напівпровідниковий діод 19 з'єднана з першим виводом 2 батареї 1. Другий вивід 18 ключа 15 з'єднаний з другим виводом 3 батареї 1. До пари затискачів 6 приєднаний споживач 24, а до пари затискачів 9 приєднаний споживач 25. Ключ 15 у даному випадку конкретного виконання пристрою складається з транзистора 26 і управляючого підсилювача 27. Управляючий вхід 16 ключа 15 з'єднаний з виходом 21 порогового пристрою 20. Пристрій для живлення споживачів постійним струмом, відповідний виконанню 1, (див. фіг. 1) містить вимірювальний перетворювач струму 28, з'єднання другого затискача 8 пари затискачів 6 з проміжним виводом 4 батареї 1 і з'єднання першого виводу 13 дроселя 12 з тим же проміжним виводом 4 батареї 1 здійснене через вимірювальний перетворювач струму 28, вихід якого з'єднаний з управляючим входом 22 порогового пристрою 20, а опорний вхід 23 вказаного порогового пристрою 20 з'єднаний з точкою нульового потенціалу. Пристрій для живлення споживачів постійним струмом, відповідний виконанню 2, (див. фіг. 2) містить перший вимірювальний перетворювач струму 29 і другий вимірювальний перетворювач струму 30, з'єднання першого вивода 13 дроселя 12 з проміжним виводом 4 батареї 1 здійснене через перший вимірювальний перетворювач струму 29, вихід якого з'єднаний з управляючим входом 22 порогового пристрою 20, з'єднання другого затискача 8 пари затискачів 6 з тим же проміжним виводом 4 батареї 1 здійснене через другий вимірювальний перетворювач струму 30, вихід якого з'єднаний з опорним входом 23 порогового пристрою 20, а вихід цього порогового пристрою виконано інверсним. В обох варіантах у даному випадку конкретного виконання пристрою вимірювальні перетворювачі струму 28, 29 і 30 складаються з шунта 31 і вихідного підсилювача 32. Робота пристрою для живлення споживачів постійним струмом відбувається згідно викладеному нижче. Споживач 25, що приєднаний до пари затискачів 9, отримує живлення з напругою, яка дорівнює напрузі усієї батареї 1, а споживач 24, що приєднаний до пари затискачів 6, отримує живлення з на пругою, яка дорівнює напрузі частини батареї 1 між виводами 2 і 4. Підзарядний агрегат 5, який отримує живлення від мережі змінного струму, а його вихід постійного струму приєднаний до виводів 2 і 3 батареї 1, забезпечує утримання батареї 1 у повністю зарядженому стані, для чого підтримується постійний рівень напруги на батареї 1. Завдяки вказаному вище, енергія до споживачів 24 і 25 надходить від підзарядного агрегата 5, і лише у випадку зникнення напруги у мережі змінного струму живлення споживачів 24 і 25 відбувається від батареї 1. В нормальному режимі (при наявності напруги у мережі змінного струму) батарея 1 споживає від підзарядного агрегата 5 струм підзаряда, який забезпечує компенсацію втрати заряда батареї. Зважаючи на те, що живлення споживачів 24 і 25 у нормальному режимі відбувається від підзарядного агрегата 5, струм підзаряду батареї 1 буде досить незначним, бо необхідна компенсація лише саморозряда батареї. Останнє забезпечується, якщо всі послідовно з'єднані у батарею 1 акумулятори знаходяться у однаковому режимі по відношенню до споживачів 24 і 25. Для цього використовується коло, до якого входять дросель 12 і ключ 15, робота цього кола розглядається окремо для пристрою, відповідного виконанню 1, (фіг. 1) і пристрою, відповідного виконанню 2, (фіг. 2). Основні процеси у пристрої для живлення споживачів постійним струмом, відповідному виконанню 1, (фіг. 1) розглядаються за допомогою діаграм сигналів у колах схеми, приведених на фіг. 3. На цих діаграмах: і24 - струм у колі споживача 24; і12 - струм дроселя 12; і4 - струм виводу 4 батареї 1; U20 - вихідна напруга порогового пристрою 20. За позитивний напрямок струму прийнято: для споживача 24 - напрямок від затискача 7 до затискача 8; для дроселя 12 - напрямок від першого виводу 13 до другого виводу 14, для виводу 4 батареї 1 - напрямок від точки з'єднання кола споживача 24 і дроселя 12 до виводу 4 батареї 1. Струм виводу 4 батареї 1 визначається за виразом і4=і24-і12. (1) Для забезпечення однакового стану акумуляторів батареї 1 необхідно, щоб виконувалась умова i4 = 0 , (2) де i 4 - середнє значення струму і4. Для цього необхідно, щоб середнє значення струму у колі споживача 24 дорівнювало середньому значенню струму у колі дроселя 12. Припустимо, що при t=0 має місце сигнал на виході 21 порогового пристрою 20,цей сигнал надходить до управляючого входу 16 ключа 15, завдяки чому останній знаходиться у замкнутому стані, тобто його перший вивід 17 і другий вивід 18 головного кола з'єднані. Напруга частини батареї 1 між виводами 3 і 4 (U3-4) викликає зростання струæ di ö му в колі дроселя 12 зі швидкістю ç 12 ÷ : ç dt ÷ è ø di12 U 3 - 4 » , dt L де L - індуктивність дроселя 12. 4 (3) 31251 Відповідно, зважаючи на (1), струм виводу 4 батареї 1 зменшується з тією ж швидкістю (вважаючи, що струм споживача 24 у цьому режимі є незмінним). Струм виводу 4 батареї 1 проходить через вимірювальний перетворювач струму 28, сигнал на виході якого є пропорційним вказаному струму. Цей сигнал надходить до управляючого входу 22 порогового пристрою 20, де порівнюється з нульовим потенціалом, який має місце на опорному вході 23 порогового пристрою 20. Коли струм виводу 4 батареї 1 зменшується до значення (і4в), при якому відбувається відпускання порогового пристрою 20, сигнал на виході 21 останнього зникає, і, відповідно, зникає сигнал на управляючому вході 16 ключа 15 (це відбувається при t=t1). Ключ 15 переходить до розімкнутого стану, тобто його перший вивід 17 і другий вивід 18 головного кола роз'єднується. Струм дроселя 12 продовжує проходити під дією електрорушійної сили самоіндукції по колу: дросель 12 (другий вивід 14) – напівпровідниковий діод 19 - перший вивід 2 батареї 1 - проміжний вивід 4 батареї 1 - вимірювальний перетворювач струму 28 - дросель 12 (перший вивід 13). В цьому випадку напруга частини батареї 1 між виводами 2 і 4 (U2-4) має напрямок, зустрічний напрямку струму, тому струм дроселя 12 буде зменшуватися зі швидкістю di12 U » - 2-4 . (4) dt L Відповідно, струм виводу 4 батареї 1 збільшується з тією ж швидкістю, і коли цей струм досягає значення (i4c), при якому відбувається спрацювання порогового пристрою 20, на виході 21 останнього з'являється сигнал, який надходить до управляючого входу 16 ключа 15 (це відбувається при t=t2). Ключ 15 переходить до замкнутого стану, і процес, викладений для інтервала часу від t=0 до t=t1, повторюється для інтервала часу від t=t2 до t=t3 і далі згідно зображеному на фіг. 3. Розглядаючи залежність i4=f(t) на фіг. 3 можна зробити висновок, що при i4c=-i4в середнє значення струму i4 дорівнює нулю. Напругою гістерезису порогового пристрою 20 і індуктивністю дроселя 12 визначається частота і рівень пульсацій струму дроселя 12, тобто при відповідному виборі цих параметрів може бути забезпечений такий рівень пульсацій, який є необхідним. Таким чином, автоматично підтримується збіжність струму у колі споживача з середнім значенням струму у колі дроселя, що приводить до відсутності струму проміжного виводу батареї і забезпечує однаковий режим роботи усіх акумуляторів батареї при підключенні споживача до частини батареї. Основні процеси у пристрої для живлення споживачів постійним струмом, відповідному виконанню 2, (фіг. 2) розглядаються за допомогою діаграм сигналів у колах схеми, приведених на фіг. 4, де позначення аналогічні викладеним вище для фіг. 3. Процеси у цьому виконанні пристрою відрізняються від вказаного для пристрою, відповідного виконанню 1, тим, що за допомогою вимірювального перетворювача струму 29 контролюється струм дроселя 12, а за допомогою вимірювального перетворювача струму 30 контролюється струм споживача 24, вихідні сигнали цих вимірювальних перетворювачів струму надходять до входів порогового пристрою 20, тобто відбувається безпосереднє порівняння струму дроселя 12 зі струмом споживача 24. Вихід порогового пристрою 20 виконаний інверсним, тому, коли струм у колі дроселя 12 досягає значення (і12с), при якому спрацьовує пороговий пристрій 20, сигнал на його виході 21 зникає, а коли струм у колі дроселя 12 зменшується до значення (і12в), при якому відбувається відпускання порогового пристрою 20, сигнал на його виході 21 з'являється. В цьому виконанні пристрою значення і12с і і12в встановлюються симетрично відносно значення і24, що забезпечує збіжність струму у колі споживача 24 і середнього значення струму у колі дроселя 12. Таким чином, і в цьому випадку автоматично підтримується вказана вище збіжність струмів споживача і дроселя, відсутність струму. 5 31251 Фіг. 1 Фіг. 2 6 31251 Фіг. 3 Фіг. 4 7 31251 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2002 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 8