УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ЗАРЯДА-РАЗРЯДА ЕМКОСТНОГО НАКОПИТЕЛЯ ЭНЕРГИИ

Полезная модель относится к области электротехники, а точнее к устройствам для управления процессом заряда мощного емкостного накопителя энергии (ЕНЭ) от источника питания постоянного напряжения и процессом разряда мощного ЕНЭ на источник постоянного напряжения, выполненных на базе электрохимических конденсаторов (суперконденсаторов) [1].
Известны устройства для заряда и разряда отдельных емкостей и заряда и разряда ЕНЭ, используемые в различных областях техники [2] и в силовых цепях постоянного тока тяговой подстанции постоянного тока 3,3 кВ [3, 4] и на тяговом подвижном составе [5].
Эти устройства для заряда-разряда ЕНЭ имеют несколько недостатков, а именно, большинство устройств не позволяют плавно регулировать мощность в процессе разряда ЕНЭ, а также уровень напряжения на ЕНЭ сопоставим с напряжением источника питания (тысячи вольт для системы тягового электроснабжения железнодорожного транспорта).
В качестве прототипа рассмотрено зарядное устройство для емкостного накопителя энергии с разделяемой емкостью [3], содержащее источник питания постоянного напряжения, подключенный к двум зарядно-разрядным контурам, в которые входят два индуктивных реактора, два тиристора, два диода, цепь с двумя разделяемыми емкостями, тремя ключами, а также коммутационную емкость.
К недостаткам известного устройства можно отнести отсутствие возможности регулировать мощность при разряде ЕНЭ, устройство создает значительные пульсации тока в ЕНЭ при заряде и разряде, уровень напряжения на ЕНЭ сопоставим с напряжением источника питания (тысячи вольт), а также необходимо осуществлять переключения модулей в процессе заряда и разряда ЕНЭ.
Целью полезной модели является обеспечение плавного регулирования мощности в заданном диапазоне при заряде и разряде емкостного накопителя энергии при изменении напряжения источника питания в рабочем диапазоне, уменьшение пульсаций тока через емкостной накопитель энергии при его заряде-разряде, использование емкостного накопителя энергии с рабочим диапазоном напряжения меньшим, чем у источника питания, а также уменьшение количества необходимых коммутационных аппаратов в устройстве.
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 в рабочем диапазоне мощностей; обеспечить заряд и разряд ЕНЭ при напряжении источника питания в рабочем диапазоне (2700-4000 В) без переключения конденсаторных модулей на последовательную или параллельную схему соединения; уменьшить пульсации тока, протекающего через ЕНЭ при его заряде-разряде; использовать ЕНЭ с рабочим диапазоном напряжения меньшим, чем у источника питания; уменьшить количество необходимых коммутационных аппаратов.
Технический результат обеспечивается за счет использования двух промежуточных индуктивных накопителей энергии, включенных при заряде и разряде последовательно с ЕНЭ, индуктивные накопители энергии обеспечивают значительное снижение пульсаций тока ЕНЭ и уменьшение номинального напряжения ЕНЭ в сравнении с напряжением источника питания. Для реализации процесса разряда с плавным регулированием мощности используются дополнительно два запираемых полупроводниковых ключа и два диода. Технический результат обеспечивается также за счет реализации необходимых законов управления запираемыми полупроводниковыми ключами при заряде и разряде ЕНЭ.
Заявленная полезная модель иллюстрируется чертежом фиг.1.
Устройство для управления процессом заряда-разряда ЕНЭ включает источник питания постоянного напряжения 1, подключенный к входному сглаживающему реактору 2 с внутренним сопротивлением 3 и входному сглаживающему конденсатору 4 с внутренним сопротивлением 5, два разрядно-зарядных контура, в которые входят четыре силовых запираемых тиристора 7, 16 и 8, 19, четыре силовых диода 6, 17 и 9, 18, два промежуточных индуктивных накопителя энергии (реакторы, дроссели) 10 и 12 с их внутренними сопротивлениями 11 и 13 соответственно, а также модули электрохимических конденсаторов 14 с внутренним сопротивлением 15.
Заявленное устройство должно быть оснащено необходимыми защитами от аварийных режимов (на фиг.1 не показаны). Заявленное устройство может быть использовано без входного сглаживающего реактора при достаточном значении индуктивности источника питания.
Принцип действия заявленного устройства основан на устройстве, обеспечивающем регулирование постоянного напряжения с использованием импульсных методов.
и
L1
L2
При заряде ЕНЭ энергия от источника постоянного напряжения Е поступает на сглаживающий фильтр из реактора L и конденсатора С1 (фиг.2, а, б). Ключевой режим работы регулирующих полупроводниковых приборов VS1 и VS2 формирует в каждом зарядном контуре последовательность импульсов с необходимой частотой (периодом Т) и длительностью импульса t. При открытом полупроводниковом ключе VS1 увеличивается ток t через ветвь с последовательно соединенными реактором L1 и ЕНЭ С (фиг.2, а), индуктивный элемент L1 запасает энергию в магнитном поле. На интервале времени с открытым ключом VS1 полупроводниковый ключ VS2 закрыт, энергия, запасенная в индуктивном элементе L2, передается в ЕНЭ, ток i протекает через обратный диод VD2. Далее полупроводниковый ключ VS1 закрывается, а VS2 открывается, процессы повторяются (фиг.2, б). На фиг.3, а приведены временные диаграммы, поясняющие процессы при заряде ЕНЭ.
Управление мощностью в режиме заряда ЕНЭ осуществляется за счет изменения частоты и (или) длительности импульсов напряжения (тока) и, следовательно, изменения объемов электрической энергии передаваемой от источника питания в ЕНЭ с каждым импульсом.
L2
L1
L1
Для разряда ЕНЭ параллельно ветви со сглаживающим дросселем и ЕНЭ включены полупроводниковые ключи VS3 и VS4 (фиг.2, в). Ключевой режим работы этих элементов формирует последовательность импульсов тока, проходящих через силовые диоды VD3 и VD4 соответственно, связывающие разрядные контуры с ЕНЭ С и контур с источником постоянного напряжения Е. При открытом полупроводниковом ключе VS4 увеличивается ток i через ветвь с последовательно соединенными реактором L2 и ЕНЭ С, индуктивный элемент L2 запасает энергию в магнитном поле. На интервале времени с открытым ключом VS4 полупроводниковый ключ VS3 закрыт, энергия, запасенная в индуктивном элементе L1 (на интервале времени с открытым VS3), передается в источник питания, ток i протекает через диод VD3. В соответствии с законом коммутации при закрытии полупроводникового ключа VS3 ток в индуктивном элементе L1 не может измениться мгновенно, ток i меняет путь протекания и проходит через диод VD3, сглаживающий фильтр и источник питания Е. Далее полупроводниковый ключ VS4 закрывается, а VS3 открывается, процессы повторяются (фиг.2, г). На фиг.3, б приведены временные диаграммы, поясняющие процессы при разряде ЕНЭ.
Управление мощностью в режиме разряда ЕНЭ осуществляется за счет изменения частоты и (или) длительности импульсов и, следовательно, изменения объемов электрической энергии передаваемой от ЕНЭ с каждым импульсом в источник питания.
Сглаживающий фильтр снижает переменную составляющую в токе при разряде и заряде ЕНЭ, который протекает через источник питания Е.
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, полупроводниковые ключи VS1 и VS2 закрываются.
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, т.е. при завершении процесса возврата энергии, полупроводниковые ключи VS3 и VS4 закрываются.
Значения уставок по напряжению при разряде и заряде ЕНЭ должны быть обоснованны техническим расчетом. Управление полупроводниковыми ключами VS1, VS2 и VS3, VS4 осуществляется системой управления.
В качестве регулирующих полупроводниковых приборов 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 может реализовать плавное регулирование мощности в заданном диапазоне при заряде и разряде ЕНЭ; обеспечить заряд и разряд ЕНЭ при напряжении источника питания в рабочем диапазоне (2700-4000 В); уменьшить пульсации тока, протекающего через ЕНЭ при его заряде-разряде; использовать энергоемкость ЕНЭ на 75% (техническая документация на электрохимические конденсаторы допускает их разряд до 50% от номинального напряжения); обеспечить высокий КПД цикла «заряд-разряд» выше 95%; использовать ЕНЭ с рабочим диапазоном напряжения меньшим, чем у источника питания; уменьшить количество необходимых коммутационных аппаратов.
Источники информации:
Иванов А.М., Герасимов А.Ф. Молекулярные накопители электрической энергии на основе двойного электрического слоя. Электричество, №8, 1991.
Булатов О.Г. Полупроводниковые зарядные устройства емкостных накопителей энергии / О.Г. Булатов, В.С. Иванов, Д.И. Панфилов. - М.: Радио и связь, 1986. - 160 с.
Пат. на полезную модель №53826. Зарядное устройство для емкостного накопителя энергии / В.Н. Пупынин, М.В. Шевлюгин. М.: Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. 27.05.2006. Приоритет от 23.15.2005 (ПРОТОТИП).
Пат. RU(11)2365017(13) С1 МПК Н02J 1/00. Тяговая подстанция постоянного тока с емкостными накопителями энергии / Е.Н. Алексеев, Т.П. Добровольские. - №2008125602/09; Заявлено 26.06.2008; Опубл. 20.08.2009.
Пат. RU(11)2379201(13) С1 МПК В60L 7/10. Способ рекуперации электрической энергии на рельсовом транспорте в накопительную установку вагона / А.Н. Анисов, Г.И. Криштафович, В.Я. Пахомов. -№2008118850/11; Заявлено 14.05.2008; Опубл. 20.01.2010.