УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ ВНУТРЕННЕГО СОПРОТИВЛЕНИЯ СТАЦИОНАРНЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ

Полезная модель относится к аппаратуре электромагнитных измерений и контроля и может быть использована, прежде всего, для измерений внутреннего сопротивления стационарных аккумуляторных батарей без их отключения от потребителей - устройств релейной защиты и автоматики, сигнализации, управления высоковольтными выключателями (электроприводами включения и отключения) на электрических подстанциях. Внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи, с одной стороны, отражает ее важный эксплуатационный параметр - емкость, а с другой - позволяет оценить максимальное значение тока короткого замыкания на ее выводах, необходимое для расчета защит в системе оперативного постоянного тока подстанций.
Однако ни одно из известных на сегодняшний день устройств не позволяет измерять внутреннее сопротивление с требуемой точностью.
ТМ
Известен тестер аккумуляторных батарей Celltron SecurePower 6/12 (Руководство по эксплуатации. http://www.logic-cell.ru/userfiles/File/Midtronics/MUG_CelltronSCP_v2_2_RU.pdf). Тестер измеряет проводимость аккумуляторной батареи путем анализа отклика батареи на малое колебание переменного тока, вызывающее малый отклик напряжения. Устройство содержит микроконтроллер, генератор тестового сигнала, АЦП, датчики тока и напряжения, индикатор и клавиатура.
Недостатком устройства является то, что измерение проводится на переменном токе, что приводит к завышению значения измеряемого сопротивления за счет наличия реактивных элементов, исходя из общеизвестной схемы замещения аккумуляторной батареи.
Известна установка для измерения сопротивления химических источников тока (В.И.Косюк, И.Б.Широков К вопросу об измерении сопротивления химических источников тока. Электрохимическая энергетика. 2009, т.9 №1, с.44-48). Измерение сопротивления основывается на анализе зарегистрированного переходного процесса, возникающего при подключении конденсатора известной емкости к аккумуляторной батареи, с последующим определением постоянной времени процесса, а затем и активного сопротивления. Установка содержит управляемый ключ, конденсатор, запоминающий осциллограф.
Недостатком установки является низкая точность измерений, что обусловлено, во-первых, сложностью определения момента времени, когда переходный процесс определяется только искомым сопротивлением, а не дополнительными составляющими активного сопротивления, имеющими место при небольших значениях разрядного тока. Кроме этого снижает точность необходимость обработки графических кривых, зарегистрированных также с конечной точностью.
Наиболее близкой к полезной модели по технической сущности является установка для определения внутреннего сопротивления аккумуляторной батареи (Стандарт организации. Диагностика системы оперативного постоянного тока на электрических подстанциях. ТОО «КИТР» http://kitr.kz/files/InstruktsiyaPoSOPT.pdf. с.10-12) на базе устройства «Импульс» (Устройство для определения тока КЗ «Импульс». Руководство по эксплуатации. НПФ «Радиус» http://www.rza.ru/manuals/impuls.pdf). Внутреннее сопротивление определяют в соответствие с общеизвестным двухимпульсным методом по отношению разницы напряжений на выводах аккумуляторной батареи к разнице проходящих через нее токов, значения которых равны 20-ти и 10-ти кратному значениям тока 10-часового разряда. Установка содержит микроконтроллер, АЦП, мультиплексор, датчики тока и напряжения, индикатор и клавиатуру, тиристор, блок управления, два предохранителя на разные токи срабатывания и два нагрузочных резистора. Установка подключает два включенных параллельно предохранителя с резисторами к испытуемой батареи и регистрирует кривые напряжения и тока при последовательном перегорании предохранителей. Обработкой кривых напряжения и тока находят значения токов и напряжений, по которым вычисляется искомое сопротивление.
В основу предложенной полезной модели поставлена задача создания усовершенствованного устройства с целью повышения точности измерений и повышения универсальности при создании режимов испытаний.
Поставленная задача решается тем, что в устройство для измерения внутреннего сопротивления стационарных аккумуляторных батарей, содержащее микроконтроллер, индикатор, клавиатуру, блок управления, подключенные к микроконтроллеру, последовательно соединенные датчик напряжения, мультиплексор, АЦП, выход которого подключен к микроконтроллеру, датчик тока, подсоединенный к мультиплексору, дополнительно введены N-число параллельно соединенных транзисторных ключей, управляющие выводы которых подключены к выходам блока управления, коллекторы через токоограничивающие термостабильные резисторы - к датчику напряжения и положительному полюсу испытуемой аккумуляторной батареи, а эмиттеры - через датчик тока к отрицательному полюсу аккумуляторной батареи, а также N-число элементов защиты от перенапряжений, которые подключены параллельно транзисторным ключам.
Введение набора транзисторных ключей, каждый из которых может включаться и выключаться независимо, позволило решить следующие задачи:
- обеспечить плавное нарастание разрядного тока до требуемых значений разрядного тока путем последовательного включения ключей с выдержкой перед включением следующего ключа;
- обеспечить плавное выключение половины ключей с целью получения половины разрядного тока относительно начального;
- проводить измерения тока и напряжения в условиях стационарных состояний в отличие от известного решения, когда регистрация напряжения и тока происходит при не контролированных процессах коммутации (перегорания предохранителей). Это приводит к длительным переходным процессам и затрудняет поиск значений напряжений и тока, необходимых для расчета внутреннего сопротивления. Кроме этого процесс перегорания предохранителей вводит в токовую цепь нестационарное динамическое сопротивление, что приводит к дополнительным динамическим процессам;
- исключать значительные импульсные перенапряжения, вызванные разрывом токовой цепи с индуктивностью;
- применением элементов защиты от перенапряжения обеспечивать надежное функционирование транзисторных ключей в условиях импульсным помех при коммутациях;
- ограничивать ток через ключ с помощью термостабильных резисторов.
Параметр N лежит в диапазоне 24÷48, и выбирается исходя из массогабаритных требований к устройству и значений емкости испытуемых аккумуляторных батарей, от которых зависит значение тестового тока.
Пример выполнения полезной модели иллюстрируется чертежом, на котором изображена функциональная схема устройства.
Устройство для измерений внутреннего сопротивления стационарных аккумуляторных батарей содержит микроконтроллер 1, индикатор 2, клавиатуру 3, АЦП 4, мультиплексор 5, блок 6 управления, датчик 7 напряжения, токоограничивающие термостабильные резисторы 8.1-8.N, транзисторные ключи 9.1-9.N, элементы защиты от перенапряжения 10.1-10.N, датчик 11 тока и испытуемая батарея 12.
1
1
Устройство для измерений внутреннего сопротивления стационарных аккумуляторных батарей работает следующим образом. Вначале с помощью клавиатуры 3 и индикатора 2 устанавливается количество включаемых ключей. Выбор указанного количества зависит от паспортного значения емкости испытуемой аккумуляторной батареи, которое определяет требуемые величины разрядного тока. Затем контроллер 1 по команде с клавиатуры 3 инициирует процесс измерений путем последовательной подачи команд включения на блок 6 управления, в результате чего происходит последовательное включение ключей, т.е. происходит подключение аккумуляторной батареи на сопротивление, равное величине термостабильного резистора, деленного на число включенных ключей. После очередного включения выполняется временная задержка, соизмеримая с временем переходного процесса от включения одного ключа. После включения последнего ключа, микроконтроллер 1 выполняет временную задержку, необходимую для обеспечения стационарного режима. Далее микроконтроллер 1 включает мультиплексор 5 на измерение тока и аналоговый сигнал с датчика 11 тока поступает на АЦП 4. Микроконтроллер 1 принимает коды с АЦП 4 и проводит усреднение полученных значений с последующим умножением на полученный в процессе калибровки коэффициент приведения. Полученное значение тока I микроконтроллер 1 сохраняет в своей внутренней памяти. Аналогично, после переключения мультиплексора 5 на измерение напряжения, происходит измерение сигнала с датчика 7 напряжения с сохранением значения U.
2
2
По завершению измерений микроконтроллер 1 начинает последовательное выключение ключей с удвоенной по сравнению с включением временной выдержкой после очередного выключения. В процессе выключения ключей из-за наличия индуктивности соединительных проводов в измерительной цепи возникают перенапряжения. Чтобы защитить ключи, а также цепи питания рабочего оборудования, используются элементы 10.1-10.N защиты от импульсных перенапряжений. Когда числа выключенных ключей достигнет половины от заданного, микроконтроллер 1 выполняет временную задержку и производит измерение тока и напряжения. Полученные значения I и U микроконтроллер 1 сохраняет в своей внутренней памяти. После измерений микроконтроллер 1 последовательно с необходимой временной выдержкой выключает оставшиеся ключи и вычисляет значение внутреннего сопротивления по формуле:
Полученное значение внутреннего сопротивления отображается на индикаторе 2.
Таким образом, в предлагаемом устройстве для определения внутреннего сопротивления стационарных аккумуляторных батарей реализуется усовершенствованный двухимпульсный метод. Данный метод, благодаря измерениям тока и напряжения в стационарном режиме, позволяет более точно определять значение внутреннего сопротивления по сравнению с известным устройством. Кроме этого наличие независимо управляемых транзисторных ключей позволяет устанавливать различные токи разряда, обеспечивая универсальность в формировании условий испытаний. Применение элементов защиты от перенапряжения при плавном отключении нагрузки обеспечивает надежное функционирование транзисторных ключей в условиях импульсных перенапряжений.