УСТРОЙСТВО ЗАРЯДА-РАЗРЯДА ЕМКОСТНОГО НАКОПИТЕЛЯ ЭНЕРГИИ

Полезная модель относится к области электротехники, а точнее к устройствам для заряда-разряда емкостного накопителя энергии (ЕНЭ).
Для использования батарей электрохимических конденсаторов с номинальным напряжением одного конденсатора около 2,8 Вольт в силовых электрических цепях необходимо использовать устройство заряда-разряда.
Устройство заряда-разряда необходимо для согласования тяговой сети постоянного тока и ЕНЭ по напряжению, для полного использования емкости батарей конденсаторов, также для обеспечения гальванической развязки сети и низковольтных конденсаторных батарей.
Предлагаемая схема устройства заряда-разряда позволяет использовать низковольтные ЕНЭ в тяговых электрических сетях постоянного тока с любыми значениями номинальных напряжений.
Известны различные устройства заряда емкостного накопителя энергии (ЕНЭ) [1-5] с использованием индуктивных и емкостных промежуточных накопителей энергии, зарядных трансформаторов.
Недостатком таких устройств является отсутствие возможности обеспечить управление процессом разряда, изменять мощность и разрядный ток, обеспечить полный разряд ЕНЭ, что необходимо при использовании энергоемких и мощных ЕНЭ в тяговых электрических сетях постоянного тока.
Известно устройство заряда ЕНЭ, содержащее два инвертора, два выпрямительных моста, два трансформатора, блок управления и ЕНЭ [3]. Недостатком такого устройства является использование нескольких однофазных трансформаторов, нескольких однофазных инверторов и выпрямителей, что приводит к усложнению схемы и увеличению ее массогабаритных показателей, эта схема не позволяет обеспечить управление разрядом ЕНЭ.
Известно также устройство заряда емкостного накопителя [4], содержащее N инверторов, N трансформаторов, каждый из которых имеет две первичные и вторичные обмотки, N выпрямителей. Недостатком такого устройства является отсутствие возможности управлять процессом разряда ЕНЭ.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа [5] является устройство заряда емкостного накопителя, в котором используются однофазные инвертор, трансформатор, мостовой выпрямитель и ЕНЭ. Недостатком такого устройства является отсутствие возможности управлять процессом разряда ЕНЭ.
Целью полезной модели является обеспечение плавного регулирования мощности в заданном диапазоне при заряде и разряде ЕНЭ при изменении напряжения источника питания в рабочем диапазоне, использование ЕНЭ с рабочим диапазоном напряжения меньшим, чем у источника питания.
Техническим результатом заявленной полезной модели являются следующие улучшения в работе известных устройств заряда-разряда ЕНЭ. Заявленное устройство позволяет: реализовать плавное регулирование мощности при разряде мощного ЕНЭ; обеспечить заряд и разряд ЕНЭ при изменении напряжения источника в заданном рабочем диапазоне; обеспечить работу батареи ЕНЭ в высоковольтных тяговых сетях постоянного тока.
Технический результат обеспечивается за счет использования преобразователя постоянного напряжения в переменное, выполненного с возможностью выпрямления напряжения и преобразователя переменного напряжения в постоянное, выполненного с возможностью инвертирования напряжения, для управления запираемыми полупроводниковыми ключами преобразователей при заряде и разряде ЕНЭ используется система управления (СУ), реализующая различные виды широтно-импульсной модуляции [6].
Трансформатор обеспечивает согласование электрических цепей с различным напряжением и гальваническую развязку, он должен быть рассчитан на работу на повышенных частотах и иметь высокий коэффициент полезного действия.
Работа устройства на высокой частоте позволяет уменьшить массогабаритные показатели трансформатора и сглаживающих фильтров.
Заявленная полезная модель иллюстрируется чертежом (фиг.).
Устройство заряда-разряда ЕНЭ (фиг.) включает источник питания постоянного напряжения 1, входной высоковольтный сглаживающий фильтр 2, высоковольтный выпрямительно-инверторный преобразователь 3, трансформатор 4, низковольтный выпрямительно-инверторный преобразователь 5, низковольтный сглаживающий фильтр 6, ЕНЭ 7 и СУ 8.
Принцип действия заявленного устройства основан на принципе действия преобразователя постоянного напряжения со звеном переменного тока, обеспечивающим регулирование постоянного напряжения с использованием различных видов широтно-импульсной модуляции.
При заряде энергия от источника постоянного напряжения 1 поступает на высоковольтный сглаживающий фильтр 2 (фиг.). Ключевой режим работы полупроводниковых ключей высоковольтного преобразователя 3 формирует последовательность импульсов, скважность которых изменяется по закону, определяемому моделирующим сигналом, что позволяет сформировать переменное напряжение на первичной обмотке трансформатора 4, которое понижается до заданного значения. Переменное напряжение на вторичной обмотке трансформатора 4 выпрямляется с использованием низковольтного преобразователя 5 и подается на низковольтный сглаживающий фильтр 6, соединенный с ЕНЭ 7, что позволяет обеспечить заряд ЕНЭ.
При разряде энергия от ЕНЭ 7 поступает на низковольтный сглаживающий фильтр 6. Ключевой режим работы полупроводниковых ключей низковольтного преобразователя 5 формирует последовательность импульсов, скважность которых изменяется по закону, определяемому моделирующим сигналом, что позволяет сформировать переменное напряжение на вторичной обмотке трансформатора 4, которое повышается до заданного значения. Переменное напряжение на первичной обмотке трансформатора 4 выпрямляется с использованием высоковольтного преобразователя 3 и подается на высоковольтный сглаживающий фильтр 2, соединенный с источником постоянного напряжения 1, что позволяет обеспечить возврат запасенной энергии от батареи ЕНЭ в источник 1.
Управление мощностью в режиме заряда и разряда ЕНЭ осуществляется изменением напряжения на ЕНЭ, что реализуется с использованием различных видов широтно-импульсной модуляции для управления ключами преобразователей 3 и 5.
Сглаживающие фильтры снижают переменную составляющую токов разряда и заряда ЕНЭ, которые протекают через источник питания 1 и ЕНЭ 7.
Процесс заряда ЕНЭ может быть реализован при значении напряжения источника питания в рабочем диапазоне устройства (для тяговой сети железных дорог постоянного тока при напряжении от 3300 до 4000 В). При увеличении напряжения на ЕНЭ до номинального значения, т.е. при завершении процесса накопления энергии процесс заряда завершается.
Процесс разряда ЕНЭ может быть реализован при значении напряжения источника питания в рабочем диапазоне устройства (для тяговой сети железных дорог постоянного тока при напряжении от 2700 до 3300 В). При уменьшении напряжения на ЕНЭ до 50% от номинального, процесс разряда завершается.
В качестве полупроводниковых ключей могут быть использованы силовые запираемые тиристоры или транзисторы.
Для обеспечения необходимой энергоемкости ЕНЭ отдельные модули электрохимических конденсаторов соединяются между собой последовательно и параллельно.
Достоинства предлагаемого устройства состоят в том, что оно позволяет реализовать плавное регулирование мощности в заданном диапазоне при заряде и разряде ЕНЭ; обеспечить заряд и разряд низковольтного ЕНЭ от источника питания с рабочим напряжением 2700-4000 В; использовать энергоемкость ЕНЭ на 75% (техническая документация на электрохимические конденсаторы допускает их разряд до 50% от номинального напряжения); обеспечить гальваническую развязку батарей ЕНЭ и тяговой электрической сети постоянного тока.
Источники информации:
1. Булатов О.Г. Полупроводниковые зарядные устройства емкостных накопителей энергии [Текст] / О.Г. Булатов, В.С. Иванов, Д.И. Панфилов // М.: Радио и связь, 1986. - 160 с.
2. Пентегов И.В. Основы теории зарядных цепей емкостных накопителей энергии [Текст] / И.В. Пентегов // Киев: Наукова думка, 1982. - 424 с.
3. Пат. SU (11) 1267591 (13) Al МПК H03K 3/53. Устройство заряда емкостных накопителей энергии / Н.Н. Богданов, В.Н. Кузнецов, Н.В. Кузнецова, Н.Н. Назаров. - №3711644; Заявлено 19.03.1984; Опубл. 30.10.1986. Бюл. №15.
4. Пат. RU (11) 2026603 (13) C1 МПК H03K 3/53. Устройство для зарядки емкостного накопителя / И.А. Криштафович, М.С. Райхман, С.С. Салко. №4844290/21; Заявлено 22.05.1990; Опубл. 09.01.1995. Бюл. №10.
5. Пат. RU (11) 117748 (13) U1 МПК H02M 7/162. Устройство заряда емкостного накопителя / С.Г. Конесев, Р.Т. Хазиева, М.Р. Садиков, Р.В. Кириллов, А.В. Мухаметшин. - №2012105359/07; Заявлено 15.02.2012; Опубл. 27.06.2012. Бюл. №18. (ПРОТОТИП).
6. Бурков А.Т. Электронная техника и преобразователи [Текст] / А.Т. Бурков // М.: Транспорт, 1999. - 464 с.