Электромагнитное реле для переключения аккумуляторных батарей с параллельной на попарно-параллельную зарядку
ELECTROMAGNETIC RELAY FOR SWITCHING ACCUMULATOR BATTERIES FROM PARALLEL TO COUPLED PARALLEL CHARGING

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области ветроэнергетики, а более конкретно к индивидуальным ветроэнергетическим установкам, работающим на зарядку аккумуляторных батарей с последующим преобразованием инвертором накопленной энергии в электрический ток нужных напряжения и частоты.
Уровень техники
Известны и широко применяются в стационарных условиях и в автомобилях большой мощности параллельное и последовательное подключение аккумуляторных батарей на зарядку от электрогенератора (см. В. Е. Ютт. Электрооборудование автомобилей: Учеб. для студентов вузов. - 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Транспорт, 1995. С. - 52-63).
Параллельное подключение аккумуляторных батарей к стабилизированному по требуемой величине напряжения источнику постоянного тока применяется тогда, когда их номинальное напряжение соответствует номинальному напряжению электрогенератора. За номинальное напряжение аккумуляторной батареи принимается ЭДС на ее клеммах после полной зарядки и выравнивания заряда. Для электрогенератора за номинальное напряжение принимается напряжение, соответствующее напряжению полностью заряженной аккумуляторной батареи. При этом существует понятие «максимальный ток зарядки» и «максимальное напряжение зарядки», которое выше условного номинального напряжения.
Последовательное подключение применяется при малом количестве аккумуляторных батарей, когда требуемое для зарядки напряжение электрогенератора соответствует напряжению последовательно подсоединенному их количеству.
В стационарных условиях зарядку аккумуляторных батарей номинальным напряжением 12 В проводят при параллельном их подключении к источнику постоянного тока с номинальным напряжением 12 В, зарядку аккумуляторных батарей с номинальным напряжением 24 В также проводят при параллельном их подключении к источнику постоянного тока напряжением 24 В и контролируют по току зарядки или напряжению. При зарядке аккумуляторных батарей от электрической сети, напряжение которой всегда стабильно, автоматическое регулирование процесса зарядки аккумуляторных батарей отработано и не вызывает проблем. Но эти же стационарные методы зарядки аккумуляторных батарей применяются и в ветроэнергетике при работе индивидуальной ветроэнергетической установки.
Недостатки использования стационарных способов зарядки аккумуляторных батарей в индивидуальной ветроэнергетической установке состоят в том, что стабилизация выходного напряжения электрического тока электрогенератора представляет значительные трудности, связанные с переменной скоростью ветра и изменением количества оборотов ветроколеса в широких пределах, практически от нуля до максимальных, допускаемых конструкцией ветродвигателя. Несмотря на применяемые способы регулирования выходного напряжения электрогенератора при изменении скорости ветра, оно изменяется в значительных пределах, и выходит из диапазона, необходимого для зарядки. В результате понижения напряжения, выдаваемого 12-тивольтовым электрогенератором ниже 12 В аккумуляторные батареи с номинальным напряжением 12 В зарядку не принимают. При завышении напряжения сверх необходимого оно гасится регулятором напряжения и вырабатываемая электрическая энергия ветроэнергетической установкой недоиспользуется для зарядки 12-ти вольтовых аккумуляторных батарей. Аналогичный процесс происходит и при работе 24-х вольтового электрогенератора при зарядке 24-х вольтовых аккумуляторных батарей.
При формировании 12-ти вольтовых аккумуляторных батарей в группы по две батареи, соединенные последовательно и подсоединенные к электрогенератору с номинальным напряжением 24 В группами паралелльно, также не обеспечивается более полного использования электроэнергии, вырабатываемой электрогенератором индивидуальной ветроэнергетической установки для зарядки, потому что при уменьшении зарядного напряжения электрогенератора ветроэнергетической установки, которое имеет место при уменьшении скорости ветра, аккумуляторные батареи не заряжаются. При увеличении скорости ветра и увеличении зарядного напряжения электрогенератора регулятор уменьшает это напряжение до необходимого. Следовательно как при пониженном напряжении, так и при повышенном электрическая энергия, вырабатываемая индивидуальной ветроэнергетической установкой не используется для зарядки.
Из сказанного следует, что для полного использования электроэнергии, вырабатываемой электрогенератором индивидуальной ветроэнергетической установкой, будет рациональным использовать электрогенератор с номинальным напряжением 24 В, а подключать к нему на зарядку 12-ти вольтовые аккумуляторные батареи при напряжении до 24 В параллельно, а при повышенном напряжении выше 24 В те же 12-ти вольтовые аккумуляторные батареи, но соединенные по две последовательно, образуя таким образом параллельную и попарно-параллельную зарядку в соответствии с напряжением, вырабатываемым электрогенератором. Это переключение аккумуляторных батарей должно выполняться автоматически синхронно с изменением напряжения на клеммах электрогенератора индивидуальной ветроэнергетической установки.
Таким автоматическим переключателем аккумуляторных батарей, наиболее близким по технической сущности решаемой поставленной задачи является электромагнитное реле для переключения аккумуляторных батарей (см. Патент PU 2649908 c1), которое авторами принято за прототип.
Изобретение предназначено для переключения аккумуляторных батарей при напряжении на клеммах электрогенератора ветроэнергетической установки ниже 24 В на параллельную зарядку, а при напряжении на клеммах генератора 24 В и выше на попарно-параллельную. Электромагнитное реле состоит из сердечника и якоря, выполненных из магнито-мягкого материала, обмотки, выполненной из провода и расположенной на сердечнике, возвратной пружины и содержит на якоре разъединитель, выполненный из диэлектрического материала, который входит между двумя подвижными контактами, расположенными по обе стороны разъединителя, размыкая их, и замыкает каждый соответственно на установленные напротив них неподвижные контакты, обеспечивая параллельную зарядку аккумуляторных батарей. При притянутом якоре разъединитель освобождает разъединенные контакты, они замыкаются друг на друга и разъединяются с установленными напротив них контактами, осуществляя переключение аккумуляторных батарей с параллельной зарядки на попарно-параллельную. Управление работой электромагнитного реле для переключения аккумуляторных батарей с параллельной на попарно-параллельную зарядку осуществляется с помощью электронного ключа, состоящего из триода, в коллекторную цепь которого включена обмотка электромагнитного реле по схеме с общим эмиттером, а клеммы электронного ключа подключены к клеммам электрогенератора с соблюдением полярности.
Недостаток данного электромагнитного реле, принятого за прототип, применительно к задаче переключения аккумуляторных батарей, является сложность регулирования зазоров между механическими контактами, необходимость периодически очищать их контактные поверхности, через которые протекают большие зарядные токи, регулировать перемещение разъединителя для обеспечения четкого размыкания и замыкания переключающих механических контактов, что снижает надежность работы электромагнитного реле и повышает трудозатраты на его техническое обслуживание.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является разработка более надежного в работе электромагнитного реле для автоматического переключения 12-ти вольтовых аккумуляторных батарей при зарядном напряжении электрогенератора индивидуальной ветроэнергетической установки ниже 24 В на параллельную, а при 24 В и выше на попарно-параллельную зарядку с помощью переключающих тиристоров. Учитывая, что рациональность перехода всех индивидуальных ветроэнергетических установок на использование 24-х вольтовых электрогенераторов с параллельной и попарно-параллельной зарядкой 12-ти вольтовых аккумуляторных батарей очевидна, предлагаемый автоматический переключатель с использованием тиристоров, вместо блока механических контактов, более надежен, может находиться рядом с аккумуляторными батареями, не требует никаких изменений в электросхеме подключения аккумуляторных батарей, его применение более целесообразно.
Технический результат данного изобретения сводится к более надежной работе электромагнитного реле для переключения аккумуляторных батарей при изменении напряжения на клеммах электрогенератора ветроэнергетической установки в зависимости от скорости ветра.
Технический результат достигается тем, что электромагнитное реле для переключения аккумуляторных батарей с параллельной зарядки на попарно-параллельную содержит тиристоры, включенные в электрическую схему переключения аккумуляторных батарей, токопроводяпгую пластину, укрепленную на якоре электромагнитного реле, электроизолированную от него и соединенную электрический с положительной клеммой электрогенератора, а на самой токопроводящей пластине укреплены контакт-прерыватель тока зарядки аккумуляторных батарей, проходящего через тиристоры и переключающий контакт, управляющий включением тиристоров; контакт-прерыватель взаимодействует поочередно с двумя установленными контактами прерывания тока, протекающего через тиристоры, а переключающий контакт взаимодействует поочередно с двумя установленными контактами переключения напряжения электрического тока, подаваемого на управляющие электроды тиристоров, переключающих аккумуляторные батареи на параллельную или попарно-параллельную зарядку; при обесточенной обмотке реле контакт-прерыватель соединен с контактом прерывания тока, соединенным с положительным электродом тиристора и положительной шиной первой группы заряжаемых аккумуляторных батарей, соединенных параллельно, а переключающий контакт соединен с контактом переключения, соединенным электрически через регулируемое сопротивление с управляющими электродами тиристоров, подключающих аккумуляторные батареи на параллельную зарядку.
При подаче тока на обмотку и притянутом якоре контакт-прерыватель соединен с другим контактом прерывания тока, проходящего через тиристоры, и электрически соединен с положительно шиной первой группы заряжаемых аккумуляторных батарей, соединенных параллельно; при этом переключающий контакт соединен с другим контактом переключения напряжения электрического тока, соединенным электрические через регулируемое сопротивление с управляющим электродом тиристора, переключающего аккумуляторные батареи с параллельной зарядки на попарно-параллельную, при этом отрицательная клемма электрогенератора соединена с отрицательной шиной второй группы аккумуляторных батарей, соединенных параллельно, и с отрицательным электродом тиристора, переключающего аккумуляторные батареи на параллельную зарядку, а положительный электрод этого тиристора электрический соединен с отрицательной шиной первой группы аккумуляторных батарей, соединенных параллельно, и с положительным электродом тиристора, переключающего аккумуляторные батареи на попарно-параллельную зарядку; отрицательный электрод тиристора, переключающего аккумуляторные батареи на попарно-параллельную зарядку, соединены с положительной шиной второй группы аккумуляторных батарей, соединенных параллельно и с отрицательным электродом тиристора, переключающего аккумуляторные батареи на параллельную зарядку. Работой электромагнитного реле для притягивания якоря к сердечнику или его отпускания, управляет электронный ключ, аналогичный устройству, взятому за прототип и состоящий из триода, в коллекторную цепь которого включена обмотка катушки электромагнитного реле по схеме с общим эмиттером, а клеммы электронного ключа подключены к клеммам электрогенератора, соблюдая полярность. Применение тиристорного переключения вместо блока механических контактов повышает надежность работы электромагнитного реле, упрощает его обслуживание, так как не нужно регулировать зазоры в контактах и зачищать их контактирующие поверхности. Применяемые в предлагаемом электромагнитном реле контакты прерывания электрического тока и контакты управления включением тиристоров предельно просты по устройству и не требуют регулировки зазоров после их начальной установки.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показана электрическая схема электромагнитного реле, работающая на тиристорах для переключения аккумуляторных батарей на параллельную и попарно-параллельную зарядку. На фиг. 2 представлена электрическая схема электронного ключа, аналогичная прототипу, управляющего работой электромагнитного реле, в зависимости от напряжения, выдаваемого электрогенератором ветроэнергетической установки.
Осуществления изобретения
Все аккумуляторные батареи 1 имеют номинальные напряжения 12 В и разделяются на две одинаковые группы 2 и 3, в которых они соединены параллельно с помощью соединительных шин 4 и автоматически подключается к клеммам 5 электрогенератора с номинальным напряжением 24 В индивидуальной ветроэнергетической установки в следующих комбинациях. При понижении зарядного напряжения менее 24 В все аккумуляторные батареи подключаются через соединительные шины 4 к клеммам 5 электрогенератора, соблюдая полярность, на параллельную зарядку. При повышении напряжения свыше 24 В группы 1 и 2 аккумуляторных батарей 1 соединяются между собой последовательно и подключаются на попарно-параллельную зарядку с помощью электромагнитного реле 6 (см. фиг.1), которое состоит из сердечника 7 и якоря 8, выполненных из магнито-мягкого материала, обмотки 9, выполненной из провода и расположены на сердечнике 7. На якоре 8 электромагнитного реле 6 укреплена токопроводящая пластина 10, электроизолированная от него и соединенная электрически с положительной клеммой 5 электрогенератора; на самой токопроводящей пластине 10 укреплены контакт-прерыватель 11 тока зарядки аккумуляторов 1 и переключающий контакт 12.
При обесточенной обмотке 9 контакт-прерыватель 11 соединен с контактом прерывания тока 13, соединенным с положительным электродом тиристора 14 и с положительной шиной 4 первой группы заряжаемых аккумуляторных батарей 1. Переключающий контакт 12 соединен с контактом переключения 15, соединенным электрически через регулируемое сопротивление 16 с управляющими электродами 17 и 18 тиристоров 14 и 19, подключающих аккумуляторные батареи 1 на параллельную зарядку. При подаче тока на обмотку 9 и притянутом якоре 8 контакт - прерыватель 11 соединен с другим контактом прерывания тока 20, электрически соединенного с положительной шиной 4 первой группы заряжаемых аккумуляторных батарей 1, соединенных параллельно, а переключающий контакта 12 соединен с контактом 21 переключения напряжения, соединенным электрически через регулируемое сопротивление 22 с управляющим электродом 23 тиристора 24, переключающего группы 1 и 2 аккумуляторных батарей 1 с параллельной зарядки на попарно-параллельную. При этом отрицательная клемма 5 электрогенератора соединена с отрицательной шины 4 второй группы аккумуляторных батарей, соединенных параллельно и с отрицательным электродом тиристора 19, переключающего группы аккумуляторных батарей 1 и 2 на параллельную зарядку, а положительный электрод тиристора 19 электрические соединен с отрицательной шиной 4 первой группы аккумуляторных батарей, соединенных параллельно и с положительным электродом тиристора 24, переключающего группы 2 и 3 аккумуляторных батарей на попарно- параллельную зарядку.
Отрицательный электрод тиристора 14, переключающего группы аккумуляторных батарей 1 и 2 на параллельную зарядку, и отрицательный электрод тиристора 24, переключающего группы аккумуляторных батарей
1 и 2 на попарно-параллельную зарядку, соединены с положительной шиной 4 второй группы аккумуляторных батарей, соединенных параллельно. При обесточивании обмотки 9 электрического реле 6 якорь 8 под воздействием пружины 25 возвращается в исходное положение, а аккумуляторные батареи подсоединяются на параллельную зарядку.
Управление работой электромагнитного реле 6 осуществляется с помощью электронного ключа (см. фиг. 2), использованного в прототипе и состоящего из триода 26, в коллекторную цепь которого включена обмотка 9, зашунтированная конденсатором 27, переменных резисторов 28-29, соединенных согласно электросхеме, на которой указаны точки а и в, к которым подключается вольтметр при настройке электронного ключа на режим работы. Электронный ключ подключен к клеммам 5 электрогенератора, соблюдая полярность.
Работа электромагнитного реле для переключения аккумуляторных батарей осуществляется следующим образом
В исходном положении, за которое принимается неработающая ветроэнергетическая установка по причине отсутствия ветра, напряжение на клеммах 5 электрогенератора будет равно напряжению заряда групп 1 и
2 аккумуляторных батарей 1, поскольку тиристоры 14 и 19 будут открыты, вследствие подачи на их управляющие электроды 17 и 18 положительного напряжения от аккумуляторных батарей, но разряжения аккумуляторных батарей через обмотку электрогенератора происходить не будет из-за наличия в генераторе выпрямительного блока, не пропускающего ток в обратном направлении. Обмотка 9 электромагнитного реле 6 будет обесточена вследствие недостаточного напряжения на клеммах 5 электрогенератора для открытия тиристора 26. В этом положении якорь 8 под воздействием пружины 25 прижимает контакт-прерыватель 11 к контакту прерывания тока 13, а переключающий контакт 12 прижимается к контакту переключения 15.
В этом положении якоря 8 обе группы 1 и 2 аккумуляторных батарей подключены на параллельную зарядку. При наличии ветра и работе ветроэнергетической установки, обеспечивающей достаточное напряжение на клеммах 5 электрогенератора для зарядки 12-ти вольтовых аккумуляторных батарей, зарядный ток проходит от отрицательной клеммы 5 к отрицательной шине второй группы аккумуляторных батарей, далее через заряжаемые аккумуляторные батареи к положительной шине, а от нее к отрицательному электроду тиристора 14, который открыт подачей положительного напряжения на управляющий электрод 17 через переключающий контакт 12 и контакт переключения 15. Тиристор 24 в это время закрыт.Параллельно для зарядки первой группы аккумуляторных батарей электрический ток от отрицательной клеммы 5 электрогенератора поступает на отрицательный электрод тиристора 19, который открыт подачей положительного напряжения на его управляющий электрод 18 и далее от положительного электрода тиристора 19 поступает на отрицательную шину первой группы аккумуляторных батарей, через них на положительную шину, с которой поступает на контакт прерывания 13, через контакт-прерыватель 11, по токопроводящей пластине 10 к положительно клемме 5 электрогенератора.
При достаточном напряжении электрического тока на клеммах 5 электрогенератора, превышающего допустимое напряжение на клеммах 12-ти вольтовых аккумуляторных батарей, начинается процесс их попарно-параллельной зарядки. Как показали результаты исследования работы изготовленного нами прототипа, процесс переключения аккумуляторных батарей на попарно-параллельную зарядку можно осуществляться при достижении напряжения на клеммах 5 электрогенератора 18 В. При переключении на попарно-параллельную зарядку группы 1 и 2 аккумуляторных батарей соединяются последовательно, следовательно их внутреннее сопротивление увеличивается. В результате этого при переключающем напряжении 18 В напряжение на клеммах 5 электрогенератора становится равным 24 В, и аккумуляторные батареи начинают заряжаться по способу попарно-параллельного подключения. Чтобы осуществить переключение аккумуляторных батарей необходимо закрыть прохождение зарядного тока через тиристоры 14 и 19, и открыть для прохождения тока тиристор 24. Это достигается тем, что отключается положительный потенциал напряжения на управляющих электродах 17 и 18 и одновременно прерывается прохождение электрического тока через тиристоры 14 и 19. Эту функцию выполняет якорь 8 электромагнитного реле 6, управляемого электронным ключом. При притягивании якоря 8 контакт-прерыватель 11 разъединяется с контактом прерывания 13, а переключающий контакт 12 разъединяется с контактом переключения 15. Оба тиристора 14 и 19 мгновенного выключаются. При притягивании якоря 8 контакт-прерыватель 11 соединяется с прерывающим контактом 20, а переключающий контакт 12 соединяется с контактом переключения 21 и положительный потенциал напряжения через регулируемое сопротивление 22 подается на управляющий электрод 23 тиристора 24, открывая путь току на попарно-параллельную зарядку аккумуляторных батарей. Поскольку тиристоры 14 и 19 теперь закрыты для прохождения тока зарядки, а тиристор 24 открыт, то зарядный ток пойдет следующим образом. От отрицательной клеммы 5 электрогенератора ток пойдет к отрицательной шине второй группы аккумуляторных батарей, далее через аккумуляторные батареи 3 к положительной шине второй группы аккумуляторных батарей, от нее через открытый тиристор 24 к отрицательной шине первой группы аккумуляторных батарей, через аккумуляторные батареи 2 к положительной шине первой группы аккумуляторных батарей 2, от нее к прерывающему контакту 20, к контакту-прерывателю 11, через токопроводящую пластину 10 к положительной клемме 5 электрогенератора. При понижении напряжения на клеммах 5 электрогенератора менее 24 В обмотка 9 обесточивается и якорь 8 возвращается в исходное положение. При этом закрывается тиристор 24, а открываются тиристоры 14 и 19, переключая группы 2 и 3 аккумуляторных батарей на параллельную зарядку. Достижение необходимого режима работы электронного ключа (см. фиг. 2) обеспечивается предварительным регулированием напряжения на обмотке 9 переменным сопротивлением 28 и напряжением открытия триода 26 переменным сопротивлением 29, следующим образом: обмотка 9 предварительно включается в схему электронного ключа (см. фиг. 2). Один ее вывод в точке в подключается напрямую клемме +, а второй конец через переменное сопротивление 28 подключается к клемме -. На переменном сопротивлении 28 вводится максимальное сопротивление, к концам обмотки подключается вольтметр, а на клеммы + и - подается постоянное напряжение 18 В.
Напряжение на выводах обмотки 9 будет минимальным и его начинают увеличивать уменьшая сопротивление 28 до тех пор пока электронное реле 6 притянет якорь 8. Напряжение на обмотке 9 фиксируется вольтметром и оно будет меньше 18 В, которое задается на клеммах + и -. Отключают вывод в от положительной клеммы и начинают увеличивать напряжение на базе Б триода 26 с помощью переменного сопротивления 29, при которой триод 26 откроется до величины, чтобы через обмотку прошел ток, достаточно для притягивания якоря 8. В результате в электромагнитном реле 6 якорь 8 будет оставаться не притянутым к сердечнику 7 до тех пор, пока напряжение на клеммах 5 электрогенератора будет меньше 18 В и все аккумуляторные батареи будут подсоединены на режим параллельной зарядки. Как только напряжение на клеммах 5 электрогенератора достигнет 18 В, напряжение на базе Б также увеличится, через триод 26 и обмотку пойдет ток, достаточный для притягивания якоря 8, произойдет переключение аккумуляторных батарей с параллельной зарядки на попарно-параллельную. Безусловно, обмотка 9 электромагнитного реле 6 выбирается на ток срабатывания больше чем ток срабатывания, достигаемый при напряжении 18 В, так как она будет находиться под током и при напряжении 24 В и выше, удерживая якорь 8.
Первоначальная установка якоря 8, с токопроводящей пластиной 10, контактом-прерывателем 11 и переключающим контактом 12 по отношению к сердечнику 7, к контактам прерывания 13 и 20, контактам переключения 15 и 21 осуществляется перемещением этих контактов за счет имеющихся в них прорезей для крепления. Усилие притяжения якоря 8 к сердечнику 7 регулируется пружиной 25 и должно соответствовать усилию при напряжении 18 В на клеммах 5 электрогенератора, который не показан и находится в агрегате с ветродвигателем, а указаны только его выводы + и - 5, и напряжению открытия тиристора 26.
Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими коммуникационными устройствами зарядки аккумуляторных батарей от индивидуальной ветроэнергетической установки имеет следующие преимущества:
Предполагаемое изобретение выполняющее те же функции переключения аккумуляторных батарей на параллельную зарядку при напряжении на клеммах электрогенератора ниже 24 В и на попарно-параллельную зарядку при напряжение на клеммах электрогенератора 24 В и выше, имеет перед ним следующие существенные преимущества:
Переключение аккумуляторных батарей, с помощью тиристоров, не требует регулировки зазора в контактах, зачистки их поверхностей контактирования друг с другом, удаления нагара с поверхностей контактирования, который образуется при протекании больших токов, что повышает надежность работы электромагнитного реле;
Не требуется разъединителя контактов, которого в предполагаемом изобретении теперь нет и не требуется регулировки его взаимодействия с контактами и одновременно хода якоря по отношению к сердечнику электромагнитного реле, что значительно упрощает эксплуатацию устройства.
Имеющиеся в предполагаемом изобретении контакт-прерыватель с двумя контактами прерывания и переключающий контакт с двумя контактами переключения просты по устройству, обслуживанию, и после начальной установки не требует регулировки.