Централизованное устройство коммутации источников и потребителей постоянного тока

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к системам электроснабжения, в которых аккумуляторы или генератор постоянного тока являются основным источником электропитания.
Уровень техники
1. Известна система электроснабжения аппаратуры подвижного комплекса топопривязки [1], содержащая основной и резервный источники электроэнергии, распределительное устройство, кабельные линии, содержащей основной и резервный источники электроэнергии, распределительное устройство, кабельные линии, коммутационные аппараты, автоматы защиты силовых цепей, аппаратуру контроля, электроустановку отбора мощности (генератор) В данной системе присутствует распределительное устройство, оснащенное прибором для контроля напряжения бортовой сети и на входе через систему подготовки электропитания связано с генератором, а также - с аккумуляторными батареями и штатным электрооборудованием автошасси, а на выходе - с пультом контроля и управления, соединительным щитком для подключения выносного оборудования.
Недостатком распределительного устройство в данной системе является то, что есть необходимость использования пульта контроля и управления, то есть контроль и управление неавтоматизированно. Помимо этого, распределительное устройство в данной системе не может управлять зарядкой аккумулятора.
2. Известны многофункциональные контроллеры [2], предназначенные для решения широкого спектр задач, связанных с автоматизацией квартир, домов, офисов, производств. Контроллер способен работать как под управлением сервера, так и автономно. Недостатком таких контроллеров является невозможность их использования для работы с мощными энергопотребителями, требующих больших токов.
Раскрытие сущности полезной модели
Технической задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель является централизованная коммутация источников и потребителей электропитания с большими токами потребления (до 100 Ампер), обеспечение системы электроснабжения централизированным контролем напряжения и тока источников и потребителей электроэнергии и обеспечение систем возможностью быстрой смены параметров ее работы, например схемы заряда аккумуляторов или работой силовых исполнительных устройств, например подъёмных механизмов.
Поставленная задача решается за счет того, что устройство коммутации источников и потребителей постоянного тока имеет возможность подключения к ней по меньшей мере одного основного источника питания, такого как аккумулятор, по меньшей мере одного вспомогательного источника питания, например генератора постоянного тока транспортного средства, платы для зарядки аккумулятора или аккумуляторов, плату преобразователя DC-DC для обеспечения потребителя электропитания стабильным напряжением и содержит в себе плату контроллер, управляющую силовыми ключами и контролирующую токи и напряжения в электрических цепях системы. Для работы с большими токами потребления в каждой цепи устройства коммутации используются по меньшей мере два силовых ключа, электрическая плата в которой толщина проводящего слоя составляет не менее 100 мкн и медные проводники, напаянные на силовые дорожки, образованные проводящим слоем.
Техническим результатом использования данной полезной модели является централизованная коммутация нескольких нестабилизированных высокотоковых источников, с выводом стабилизированного электропитания для потребителей электропитания и возможностью зарядки высокотоковых источников, контроля тока и напряжения электрических цепей системы и их управлением.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых изображено:
На фиг. 1 изображена общая схема централизованного устройства коммутации источников и потребителей постоянного тока;
На фиг. 2 изображена функциональная схема централизованного устройства коммутации источников и потребителей постоянного тока
На фиг. 3 изображена трехмерная модель централизованного устройства коммутации источников и потребителей постоянного тока без радиатора, фронтальная сторона
На фиг. 4 изображена трехмерная модель централизованного устройства коммутации источников и потребителей постоянного тока без радиатора, тыльная сторона
На фиг. 5 изображена трехмерная модель контроллера централизованного устройства коммутации источников и потребителей постоянного тока без радиатора
На фиг. 6 изображена фотография применения централизованного устройства коммутации источников и потребителей постоянного тока в прототипе системы электроснабжения специального транспортного средства
На фигурах 1-6 приняты следующие обозначения:
1 – плата централизованной коммутации источников и потребителей постоянного тока (ПЦК)
2 – контроллер управления платой централизованной коммутации источников и потребителей постоянного тока
3 – силовые ключи
4 – выводы на аккумулятор системы электроснабжения (АСЭ1)
5 – выводы на аккумулятор системы электроснабжения (АСЭ2)
6 – выводы на генератор и аккумулятор транспортного средства (ГТС, АКТС);
7 – вывод на плату зарядки от генератора и аккумулятора транспортного средства (ГТС, АКТС)
8 – вывод от платы зарядки на плату централизованного устройства коммутации источников и потребителей постоянного тока (ЦУК)
9 – вывод на плату стабилизатора напряжения
10 – датчики тока и напряжения
11 – разъемы для соединения контроллера с платой централизованного устройства коммутации источников и потребителей постоянного тока (ЦУК)
12 – аккумуляторы системы электроснабжения (АСЭ1, АСЭ2)
13 – плата зарядки аккумуляторов системы электроснабжения
14 – плата стабилизатора напряжения системы электроснабжения
Осуществление полезной модели:
Плата централизованной коммутации источников и потребителей постоянного тока (ПЦК) является основным элементом, к которому подключены все источники, выдающие ток и потребляющие его, а именно:
- питание от генератора и аккумуляторов транспортного средства (ГТС, АКТС);
- питание от двух аккумуляторов (АСЭ1, АСЭ2) системы электроснабжения;
- плата зарядки аккумуляторов;
- плата стабилизатора напряжения;
- потребитель электроэнергии;
Управление ПЦК осуществляется через контроллер управления.
Конструктивно ПЦК представляет собой электрическую плату, на которой предусмотрены выводы для подключения источников и потребителей электроэнергии, вывод может представлять контактную площадку с отверстием, через которое установлен винт. Разъем источника или потребителя электроэнергии устанавливается на винт и закручивается гайкой с шайбой. На электрической плате присутствуют разъемы для подключения контроллера управления, который управляет силовыми ключами, расположенными на ПЦК. Для системы в которой используются два аккумулятора и генератор постоянного тока в составе ПЦК присутствует по меньшей мере шесть силовых ключей, каждый из которых выполняет свою функцию. Силовой ключ генератора (СКГ) управляет включением в цепь генератора постоянного тока и электропитанием потребителей электроэнергии, не требующих работы от аккумулятора. Силовой ключ зарядки (СКЗ) управляет включением в цепь платы зарядки аккумуляторов. Силовой ключ шиммирования зарядки (СКШЗ) открывается и закрывается с определенной частотой, для регулировки тока, потребляемого от генератора постоянного тока. Силовые ключи аккумуляторов системы (СКАС1, СКАС2) управляют включением и выключением в цепи аккумуляторных батарей системы. Силовой ключ нагрузки (СКН) управляет включением в цепь стабилизатора напряжения, далее электропитание подается на потребитель электроэнергии. Общая схема устройства представлена на фигуре 1, логическая схема работы устройства представлено на фигуре 2. Контроллер управления всегда проверяет напряжение и ток в цепях перед всеми ключами с помощью датчиков тока и напряжения и в зависимости от ситуации управляет ПЦК по определенному сценарию, вариант которого представлен ниже:
- контроллер управления с помощью датчика тока и напряжения (ДТНГ) фиксирует повышение или появление напряжения перед силовым ключом генератора (СКГ), силовой ключ генератора (СКГ) закрывается, тем самым подается электропитание на сторонние потребители электроэнергии
- контроллер управления с помощью датчика тока и напряжения (ДТНА1, ДТНА2) проверяет заряд аккумуляторов системы (АСЭ1, АСЭ2) и в зависимости от их состояния заряда и баланса между ними задает очередность зарядки аккумуляторов и необходимый ток зарядки
- контроллер управления закрывает силовой ключ зарядки (СКЗ), а силовой ключ шиммирования зарядки (СКШЗ) открывается и закрывается с определенной частотой для ограничения тока, потребляемого от генератора
- по рассчитанной очередности зарядки аккумуляторов (АСЭ1, АСЭ2) открываются и закрываются силовые ключи аккумуляторов системы (СКАС1, СКАС2)
- если на контроллер управления поступил сигнал подачи электропитания на плату стабилизатора напряжения, то закрывается силовой ключ нагрузки (СКН) и на плату стабилизатора напряжения поступает электропитание от одного из аккумуляторов, в тот момент когда закрыт один из ключей (СКАС1, СКАС2).
Для обеспечения устройства коммутации возможностью работать с большими токами, например до 100А, силовой ключ может представлять собой связку из по меньшей мере 2-х транзисторов, которые предназначены для работы с большими токами, например IRF3205 [3], ПЦК должна иметь толщину проводящего слоя не менее 100 микрон и для уменьшения потерь напряжения и нагрева проводящих дорожек, на них может быть напаян медный проводящий слой, например из листа или медной пластины. Для охлаждения транзисторов могут использоваться радиатор, вентилятор, термопрокладки.
Список литературы
1. RU 2435280 C1, Система электроснабжения аппаратуры подвижного комплекса топопривязки.
2. Сайт компании Ab-log \\ MegaD-2561 - новая ступень в развитии проекта MegaD \\ URL: https://ab-log.ru/smart-house/ethernet/megad-2561 (дата обращения 11.05.2021).
3. Сайт интернет магазина Chipdip.ru \\  IRF3205PBF, Транзистор, N-канал 55В 110А [TO-220AB] \\ URL: https://www.chipdip.ru/product/irf3205 (дата обращения 11.05.2021).