ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ

Полезная модель относится к области электроэнергетики, а именно к зарядным устройствам на основе тиристорных регулируемых выпрямителей, используемых для зарядки аккумуляторных батарей, используемых в электротранспорте, в автомобильном электротранспорте в частности. Полезная модель предназначена для работы с автомобильными аккумуляторными батареями.
Общеизвестными являются зарядные устройства (ЗУ) для зарядки аккумуляторных батарей (АБ) на основе тиристорных и диодных выпрямителей, которые обеспечивают заряд аккумуляторных батарей.
Пример промышленной реализации тиристорного управляемого выпрямителя для ЗУ описан в статье: «Зарядно-подзарядные агрегаты: устройство, принципы действия, применение», Силовая электроника, №4 2012, к.т.н. В. Гуревич. Для зарядных устройств на основе тиристоров и диодов характерна высокая надежность и неприхотливость в использовании, однако, при преобразовании переменного напряжения промышленной частоты в постоянное, присутствуют существенные низкочастотные помехи и всплески напряжения, которые необходимо устранять дополнительными фильтрами.
Наиболее близким по технической сущности является зарядное устройство для зарядки аккумуляторных батарей на основе тиристорных преобразователей, согласно патенту RU 2155425 C1. В указанном прототипе используется регулируемый тиристорный преобразователь напряжения постоянного тока, фильтр низкочастотных помех, датчики напряжения и тока, а также блок гальванической развязки.
Для зарядных устройств на основе тиристоров и диодов характерна высокая надежность и неприхотливость в использовании, но при этом, возможность регулирования напряжения тиристорами ограничена и составляет порядка 10% от номинального значения. Так, например, при выполнении выпрямителя по схеме Ларионова, который, в случае 3х фазной сети с напряжением 380 В, даст после выпрямления на звене постоянного тока порядка 515 В и возможность регулирования тиристорами этого напряжения составит около 10%. Ввиду этого, ключевым недостатком в указанном прототипе является невозможность регулирования напряжения на входе в тиристорный преобразователь, что не позволяет иметь данному устройству широкий диапазон регулирования напряжения и тока во всем диапазоне - от 0 до номинальных значений.
Исходя из указанного выше, для указанных аналога и прототипа зарядных устройств характерен общий недостаток – невозможность одновременного регулирования напряжения и тока в широком диапазоне значений.
Для заявленной полезной модели и прототипа выявлены следующие общие существенные признаки: Зарядное устройство для аккумуляторной батареи, содержащее, по меньшей мере, один регулируемый тиристорный регулятор-выпрямитель напряжения постоянного тока с импульсно-фазовым регулятором, датчики напряжения и тока, один повышающий трансформатор, по меньшей мере, один регулятор напряжения переменного тока, фильтр низкочастотных помех.
Технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является обеспечение гибкости регулирования напряжения и тока в широком диапазоне для зарядки аккумуляторных батарей широкой номенклатуры.
Техническая проблема решается за счет того, что зарядное устройство для аккумуляторной батареи, содержащее, по меньшей мере, один регулируемый тиристорный регулятор-выпрямитель напряжения постоянного тока с импульсно-фазовым регулятором, датчики напряжения и тока, один повышающий трансформатор, по меньшей мере, один регулятор напряжения переменного тока, отличается от прототипа тем, что повышающий трансформатор установлен перед регулятором напряжения переменного тока, который представляет собой магнитный усилитель и выход которого, в свою очередь, связан со входом тиристорного регулятора-выпрямителя, при этом, управление обмоткой подмагничивания магнитного усилителя осуществляется контроллером, который выполнен также с возможностью управления тиристорным регулятором-выпрямителем напряжения постоянного тока с использованием импульсно-фазового регулятора, выполненного на дискретных элементах с использованием обратной связи по выходному напряжению и току, измеряемому после фильтра низкочастотных помех.
Краткое описание чертежей.
На фиг.1 представлена функциональная схема зарядного устройства для аккумуляторных батарей.
Зарядное устройство для аккумуляторной батареи 9, подключенное к трёхфазной электросети 220/380 В 1, содержит блок коммутации 2, повышающий трансформатор 3, установленный перед управляемым регулятором напряжения переменного тока 4, выполненного в виде магнитного усилителя, выход которого, в свою очередь, связан со входом, по меньшей мере, одного управляемого тиристорного регулятора-выпрямителя напряжения постоянного тока 5, фильтр низкочастотных помех 6, датчики тока и напряжения 7, блок управления 8 с гальванической развязкой и программируемым контроллером с импульсно-фазовым регулятором, выполненным на дискретных элементах с использованием обратной связи по выходному напряжению и току, измеряемому датчиками тока и напряжения 7. Пи этом управление обмоткой подмагничивания магнитного усилителя 4 осуществляется контроллером, который выполнен также с возможностью управления тиристорным регулятором-выпрямителем напряжения постоянного тока 5 с использованием импульсно-фазового регулятора.
.
Типичная мощность зарядного устройства для аккумуляторных батарей 5-100 кВт и рассчитано для встраивания в конструктив станции заряда и заряда аккумуляторных батарей с типичной емкостью 55 Ач и напряжением от 50 до 515 В. Блок коммутации 2 дополнительно содержит автомат защиты и блок предохранителей. Трансформатор 3 имеет секционную вторичную катушку, которая позволяет ступенчато повышать вторичное напряжение за счет ступенчатого подключения секций вторичной катушки. Магнитный усилитель 4 дополнительно содержит реакторы, используемые в качестве дросселей насыщения с типичным значением 2 мГн – 70 мГн. Управляемый тиристорный регулятор-выпрямитель 5, в общем случае, состоит из соединенных по схеме Ларионова шести тиристорных вентилей, которые управляются импульсно-фазовым методом управления через изолирующие оптосимисторные пары. Низкочастотный сглаживающий фильтр 6 предназначен для защиты аккумуляторной батареи от всплесков напряжения и сглаживания пульсаций напряжения после управляемого тиристорного регулятора-выпрямителя 5. С целью компенсации постоянной составляющей и исключения насыщения сердечника дросселя низкочастотного фильтра, рабочие обмотки дросселя включены встречно для компенсации их магнитных потоков в центральном стержне дросселя низкочастотного фильтраБлок управления 8, содержит программируемый контроллер с импульсно-фазовым регулятором, выполненный на дискретных элементах с использованием обратной связи по выходному напряжению и току, измеряемому датчиками тока и напряжения 7, а также в своем составе имеет также LCD сенсорный экран для отображения измеряемых параметров тока и напряжения на клеммах батареи, а также информацию о состояния системы управления и видах нештатных и аварийных ситуаций, связанных с эксплуатацией данного устройства. Блок управления 8 осуществляет контроль работы тиристорного регулятора-выпрямителя 5 на основе заданных настроек, а также данных измерения напряжения и тока в блоке 7. Кроме того, блок управления 8 управляет магнитным усилителем 4 за счет изменения тока в его катушке подмагничивания.
В состав устройства также входят индикаторы наличия питания, сигналов управления, переключатели «ручной/программный» режима работы устройства, которые на принципиальной схеме условно не показаны.
Благодаря наличию в устройстве трансформатора 3, магнитного усилителя 4, подключенного к трансформатору 3 и управляемого тиристорного регулятора-выпрямителя 5, подключённого к магнитному усилителю 4, обеспечивается возможность регулирования напряжения и тока в широком диапазоне значений, как показано на Фиг.2 (графическая характеристика тока заряда и напряжения на автомобильной конденсаторной аккумуляторной батареи в процессе её зарядки).
Так, на первом этапе заряда аккумуляторной батареи (Фиг 2) используется повышающий трансформатор в режиме включения обмоток с коэффициентом трансформации равным 1, то есть без повышения напряжения и включения дополнительных секций вторичной обмотки. При этом осуществляется плавное регулирование магнитным усилителем напряжения (регулятор напряжения переменного тока) с целью его повышения с течением времени и одновременное управление тиристорным регулятором-выпрямителем.
На втором этапе заряда аккумуляторной батареи (Фиг 2) используется повышающий трансформатор в режиме повышения напряжения, когда подключаются дополнительные секции вторичной катушки и коэффициент трансформации больше 1. При этом, также осуществляется плавное регулирование магнитным усилителем напряжения (регулятор напряжения переменного тока) с целью его повышения с течением времени и одновременное управление тиристорным регулятором-выпрямителем с целью соблюдения заданной зависимости напряжения U и тока I со временем.
На третьем этапе заряда аккумуляторной батареи (Фиг 2) также, как и на втором, используется аналогичное включение элементов схемы, однако закон регулирования напряжения U и тока I со временем для магнитного усилителя и тиристорного регулятора-выпрямителя используется другой.
Таким образом, при работе предлагаемое устройство в типичном исполнении за счет использования магнитного усилителя 4 и тиристорного регулятора-выпрямителя 5 позволяет обеспечить начальное напряжение порядка 5В и ток порядка 1А и в процессе заряда плавно увеличить напряжение до 515 В и 125 А, при напряжении питания трехфазной сети 380 В, а также обеспечить повышение напряжения до 1000 В и более за счет подключения дополнительных секций вторичной катушки трансформатора 3. При этом форма сигнала напряжения и тока может быть задана любой, в зависимости от типа аккумуляторной батареи за счет использования блока управления 8 с программируемым контроллером.
Указанное выше гарантирует возможность подключения любой аккумуляторной батареи из широкой номенклатуры, в том числе автомобильной.
Зарядное устройство работает следующим образом.
Регулирование по переменному току осуществляется изменением индуктивности управляемых регуляторов напряжения переменного тока 4 и в случае необходимости повышения напряжения – трансформатором 3. Регулирование по постоянному току осуществляется методом импульсно-фазового регулирования выходного выпрямленного напряжения в трехфазном мостовом тиристорном регуляторе-выпрямителе 5. В случае малых токов заряда, индуктивность последовательных реакторов устанавливается максимальной (порядка 60мГн) для того, чтобы максимально уменьшить негативное воздействие на питающую электросеть и снижения пульсаций выпрямленного сетевого напряжения. При необходимости использования максимального тока заряда происходит переход (переключение) на обмотки меньшей индуктивности и меньшего активного сопротивления и при этом регулирование тока заряда происходит преимущественно методом импульсно-фазового регулирования напряжения тиристорного регулятора-выпрямителя 5. Контроль выходных напряжения и тока заряда осуществляется с помощью блока датчиков 7 соответствующих величин, что необходимо для реализации требуемой характеристики заряда блоком управления 8, который, выполняет также ряд функций контроля, защиты и передачи данных не верхний уровень регистрации и контроля.
При работе используются следующие параметры программируемого контроллера:
1) Угол импульсно-фазового регулирования 0 град, индуктивность магнитного усилителя 2 мН на фазу. Ток заряда максимальный, напряжение на нагрузке максимальное 480В;
2) Угол импульсно-фазового регулирования 40 град, индуктивность магнитного усилителя 2 мН на фазу. Напряжение на нагрузке 380В;
3) Угол импульсно-фазового регулирования 0 град, индуктивность магнитного усилителя 67 мН на фазу. Напряжение на нагрузке 300В
Эти параметры обеспечивают получение коэффициента мощности в диапазоне от 0,2 до 0,95.
Построение зарядного устройства для автомобильных аккумуляторных батарей по предложенной схеме, за счет комбинации регулирования тока и напряжения на трансформаторе, магнитном усилителе и управляемом тиристором выпрямителе, обеспечивает достижение технического результата полезной модели, а именно плавное регулирование напряжение и тока в широком диапазоне от нуля до максимальных значений.