ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ ДЛЯ ПИТАНИЯ АППАРАТУРЫ ТЕЛЕМЕТРИИ ПОЛЯРИЗОВАННЫХ УСТАНОВОК ДРЕНАЖНОЙ ЗАЩИТЫ

Зарядное устройство аккумуляторной батареи для питания аппаратуры телеметрии поляризованных установок дренажной защиты
Предлагаемая полезная модель относится к электротехнике и может быть использована для заряда аккумуляторной батареи от знакопеременного источника напряжения в цепи «рельс» - защитное заземление установок дренажной защиты подземных металлических сооружений.
Обычно величина упомянутого выше напряжения имеет характер случайной величины с математическим ожиданием от единиц вольт в отрицательной области до десятков вольт в положительной области и значительным стандартным отклонением во время прохождения подвижного состава.
Известно устройство для заряда аккумуляторов (см. а.с.СССР №465519, М.кл. F21L9/00, опубл. 30.03.1975г.), используемое в аккумуляторном фонаре, содержащее токоограничивающий резистор, соединенный последовательно с резистором и первым диодом, конденсатор, соединенный параллельно с резистором и второй диод, соединенный через аккумуляторы параллельно с первым диодом.
В данном устройстве в первый полупериод ток от источника переменного тока протекает через токоограничивающий резистор, конденсатор и резистор, второй диод и аккумуляторы. Во второй полупериод ток от источника переменного тока протекает через токоограничивающий резистор, конденсатор и резистор, первый диод и не протекает через второй диод и аккумуляторы. Т.е. один полу период аккумуляторы не заряжаются.
Поэтому данное устройство имеет низкие энергетические показатели, обусловленные тем, что для заряда аккумуляторов используется только один полупериод электрического тока.
Известно устройство для заряда аккумуляторов (см. свидетельство РФ на полезную модель №10951, М.кл. H02J7/00,
опубл. 16.08.1999г.), содержащее клеммы для подключения источника переменного тока, к которым подключено устройство ограничения тока заряда, последовательно с которым включены первый диод и первый аккумулятор, а также второй аккумулятор и второй диод, причем второй диод соединен с первым диодом так, что его полярность противоположна полярности первого диода в месте их соединения.
В данном устройстве несколько улучшены энергетические показатели по сравнению с предыдущим аналогом путем использования для заряда аккумуляторов каждого полупериода переменного электрического тока. Однако это устройство невозможно использовать для заряда аккумуляторных батарей при знакопеременных значениях напряжения источника от единиц до десятков вольт. Кроме того в данном устройстве, как и в предыдущем аналоге снижение энергетических показателей обусловлено потерями в цепи ограничения тока.
Данное устройство выбрано за прототип.
Задачей полезной модели является расширение диапазона значений напряжений обеих полярностей источника переменного тока, которые могут быть использованы для заряда аккумуляторов, а также повышение энергетических показателей зарядного устройства.
Решение поставленной задачи обеспечивается в предлагаемом зарядном устройстве аккумуляторной батареи для питания аппаратуры телеметрии поляризованных установок дренажной защиты, содержащем клеммы для подключения источника переменного тока, первый и второй диоды и аккумулятор, отличающемся тем, что анод первого и катод второго диодов соединены и подключены к одной из клемм для подключения источника переменного тока, другая клемма соединена с общим проводом устройства и защитным заземлением установки дренажной защиты, катод первого диода соединен со входом введенного преобразователя постоянного напряжения в постоянное с ограничением выходного напряжения и тока, а анод второго диода подключен ко входу введенного повышающего преобразователя постоянного напряжения в постоянное с гальванической развязкой выхода и ограничением выходного напряжения и тока, при этом выходы положительной полярности обоих преобразователей соединены и подключены ко входу положительной полярности аккумулятора, а выходы отрицательной полярности обоих преобразователей и аккумулятора соединены с общим проводом устройства и защитным заземлением установки дренажной защиты.
Введение в зарядное устройство преобразователя постоянного напряжения в постоянное, связанного с первым диодом, обеспечивает возможность формирования постоянного напряжения для заряда аккумулятора при положительном напряжении на клеммах с ограничением выходного тока преобразователя для соблюдения режима заряда аккумуляторной батареи. При этом данный преобразователь может работать при напряжениях на входе до сотен вольт.
При отрицательных напряжениях от источника переменного тока на клеммах заряд аккумулятора осуществляется постоянным напряжением, формируемым введенным повышающим преобразователем постоянного напряжения в постоянное, связанным со вторым диодом. Этот преобразователь рассчитан на преобразование напряжений с номинальными значениями в единицы вольт и имеет гальваническую развязку выходных цепей от входа и ограничение выходного напряжения и тока.
Таким образом, в предлагаемом зарядном устройстве за счет осуществления раздельного преобразования положительных и отрицательных напряжений источника, ожидаемые значения которых составляют от единиц до десятков вольт и существенно разнятся, в постоянное напряжение для заряда аккумуляторной батареи, существенно расширен диапазон значений знакопеременного напряжения источника, которые могут использоваться для заряда.
При этом повышены энергетические показатели зарядного устройства из-за отсутствия в нем токоограничивающей цепи, на которой имели место потери в прототипе.
Функциональная схема предлагаемого устройства приведена на чертеже, в соответствии с которым зарядное устройство аккумуляторной батареи для питания аппаратуры телеметрии поляризованных установок дренажной защиты содержит клеммы 1и 2 для подключения источника переменного тока, первый 3 и второй 4 диоды, причем анод первого диода 3 и катод второго диода 4 соединены и подключены к клемме 1, а клемма 2 соединена с общим проводом устройства и защитным заземлением установки дренажной защиты, катод первого диода 3 подключен ко входу преобразователя 5 постоянного напряжения в постоянное с ограничением выходного напряжения и тока, а анод второго диода 4 подключен ко входу повышающего преобразователя 6 постоянного напряжения в постоянное с гальванической развязкой выхода и ограничением выходного напряжения и тока, выходы положительной полярности обоих преобразователей 5 и 6 соединены и подключены ко входу положительной полярности
аккумулятора 7, а выходы отрицательной полярности обоих преобразователей 5 и 6 и аккумулятора 7 соединены с общим проводом устройства и защитным заземлением установки дренажной защиты.
Работа предлагаемого зарядного устройства осуществляется следующим образом.
При положительном напряжении на клемме 1 (поступающем через фидер от дроссель-трансформатора, через который установка дренажной защиты подключается к рельсам электрофицированных железных дорог) относительно клеммы 2 открывается первый диод 3 и запускается преобразователь 5 постоянного напряжения в постоянное, формирующий постоянное напряжение для заряда аккумулятора 7 с ограничением выходного тока для соблюдения режима заряда аккумулятора 7. Преобразователь 5 выполнен таким образом, чтобы обеспечить возможность его работы при напряжениях на входе до сотен вольт.
При отрицательном напряжении на клемме 1 по отношению к клемме 2 заряд аккумулятора 7 осуществляется через повышающий преобразователь 6 постоянного напряжения в постоянное с гальванической развязкой выходных цепей от входа и ограничением выходного напряжения и тока, рассчитанный на преобразование напряжения с номинальными значениями в единицы вольт.
Для осуществления указанных функций преобразователи 5 и 6 могут быть выполнены в виде однотактных ШИМ - преобразователей трансформаторного типа, обеспечивающих преобразование как с повышением, так и с понижением выходного напряжения относительно входного (см.1. Б.Ю. Семенов «Силовая электроника для любителей и профессионалов», Москва: СОЛОН - Р, 2001г., с.216-247; 2. Ирвинг М. Готлиб «Источники питания. Инверторы, конверторы, линейные и импульсные стабилизаторы», Москва, Постмаркет, 2002г., с.356-377; 3. «Интегральные микросхемы: Микросхемы для импульсных источников питания и их применение», изд. 2-е, Москва, ДО ДЕКА, 2000г., с.608).
При этом ключевой транзистор в преобразователе 5 ввиду необходимости преобразования напряжения большой величины должен быть высоковольтным, например, технологии IGBT (SGW25N120 допускает коммутацию токов до 25 А при напряжении «коллектор-эмиттер» до 1200В).
В преобразователе 6 важно обеспечить хороший КПД при преобразовании малых входных напряжений (наиболее вероятны величины от - 1 до - 3В), поэтому ключевой транзистор этого преобразователя должен быть с малым падением напряжения в открытом состоянии. Предпочтительным является выбор
транзистора, например, семейства Cool MOS (SPW20N60 35 с сопротивлением канала не более 0,19 Ом). Для обеспечения управления ключевым транзистором в преобразователе 6 при входных напряжениях от 1,3В рекомендуется, например, использование предварительного маломощного преобразователя постоянного напряжения в постоянное с напряжением запуска 1,3В и обеспечивающего при этом напряжение на выходе более 5В (НАХ641-643) (см.Л.3). Схема его включения приведена (см.Л.1, 2,3).
В качестве устройства для управления выходными транзисторами преобразователей 5 и 6 может быть использован высокочастотный ШИМ - контроллер UC1825-3825 (см.Л.1).
В качестве диодов 3 и 4 могут быть использованы диоды MCC 1N5408 с допустимым током до 3 А и обратным напряжением до 1000В.
Таким образом, на выходе преобразователей 5 или 6 формируется постоянное напряжение, необходимое для заряда аккумулятора 7. При этом знакопеременное напряжение на входе устройства (клемме 1 относительно клеммы 2) может составлять значения от единиц до десятков вольт (возможный диапазон значений напряжений отрицательной полярности от - 2,3В до - 15В, а положительной полярности от ≥4,5В до 100В).