УСТРОЙСТВО ПИТАНИЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ И ЗАРЯДКИ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к преобразователям напряжения с гальванической развязкой цепей и может быть использована для питания потребителей (в том числе и судовых) постоянного тока и зарядки аккумуляторных батарей.
Известно, что зарядное устройство должно обеспечивать ток, равный номинальному току заряда аккумулятора при колебаниях напряжения первичной сети и изменении напряжения на аккумуляторе по мере его заряда. Имеются устройства, например, управляемый выпрямитель зарядного устройства аккумулятора (RU, патент №2251201, МПК Н02М 7/12, 2005.04.27), позволяющие повысить надежность работы и снизить уровень помех устройства путем усовершенствования схемотехнического решения преобразователя сетевого переменного напряжения в постоянное.
В качестве ближайшего аналога предлагаемого технического решения принято зарядное устройство аккумуляторных батарей (RU, заявка №2003116121, МПК Н02J 7/00, 2005.01.10), содержащее оптоэлектронное включающее-выключающим к сети устройство, блок питания и блок управления, преобразователь напряжения с ограничителем потребляемого тока и напряжения на входе, блок независимой защиты от неправильного подключения аккумуляторной батареи, блок контроля за степенью зарядки
аккумулятора и автоматического управления зарядным током, блок контроля тепловых процессов в устройстве и автоматического управления ими. Устройство также содержит индикатор полностью заряженной аккумуляторной батареи. Блок контроля за степенью зарядки аккумулятора и автоматического управления зарядным током взаимодействует с сетью через оптоэлектронное устройство.
Недостатком таких схем является то, что при выходе из строя преобразователя напряжения надежность гарантированного электропитания резко снижается, что в условиях электропитания судовых объектов бывает недопустимо.
Технической задачей полезной модели является повышение надежности устройства за счет увеличения его нагрузочной мощности и обеспечения максимальной бесперебойности его работы.
Решение указанной задачи достигается тем, что в устройство питания постоянного напряжения и зарядки аккумуляторных батарей, содержащем коммутатор сетевого напряжения, преобразователь напряжения, вход которого соединен с коммутатором, датчик тока, измеритель выходного напряжения, блок защиты от неправильного подключения аккумуляторной батареи, подключенный к выходу датчика тока, выход которого соединен с измерителем выходного напряжения и является выходом устройства для подключения аккумуляторной батареи или нагрузки, контроллер, к соответствующим входам которого подключены выходы управления датчика тока и измерителя выходного напряжения соединены, панель управления и
индикации, подключенная через интерфейс к контроллеру, дополнительно введено устройство слежения, включенное между выходом преобразователя напряжения и входом датчика тока, и n последовательно соединенных преобразователей напряжения и устройств слежения, включенных параллельно с последовательной цепочкой из первых преобразователя напряжения и устройства слежения, входы управления которых объединены и подключены к соответствующему выходу контроллера, выходы сигналов слежения за напряжением к входам управления соответствующих преобразователей напряжения, а выходы сигналов выравнивания токов объединены общей аналоговой шиной выравнивания.
Устройство слежения включает в себя низкоомный шунт, вход которого подключен к выходу преобразователя напряжения, а выход ко входу датчика тока, блок выравнивания токов, включенный параллельно шунту, сумматор и блок слежения напряжения, вход которого подключен к выходу шунта, вход управления соединен с соответствующим выходом контроллера, а выход сигнала слежения за напряжением подключен к одному из входов сумматора, другой вход которого соединен с выходом блока выравнивания токов, подключенный также к шине выравнивания, при этом выход сумматора соединен с входом управления преобразователя напряжения.
Устройство дополнительно содержит блок контроля тепловых процессов в устройстве и автоматического управления ими, выход которого является входом для подключения исполнительного устройства вентиляции, а вход подключен к соответствующему выходу контроллера.
В варианте выполнения устройство включает блок дистанционного контроля состояния аккумулятора и автоматического управления зарядным током, подключенный входом напряжения к выходу устройства, управляющим входом-выходом через интерфейс к контроллеру, а выход является клеммами для подключения аккумуляторной батареи.
Для удобства работы с устройством оно содержит вторую выносную панель управления и индикации, подключенную к контроллеру через интерфейс, аналогично первой панели управления и индикации.
Сущность технического решения поясняется рисунками, где на фиг.1 представлена структурная схема устройства питания и зарядки аккумуляторов, на фиг.2 - структурная схема устройства слежения.
1
n
Устройство питания постоянного напряжения и зарядки аккумуляторных батарей с встроенным микроконтроллерным управлением включает в себя (фиг.1) автоматический коммутатор 1 (выключатель серии multi 9, тип С60а), коммутирующий входы преобразователей напряжения 2-2 на одно- или трехфазное переменное напряжение 220 В частотой 50 Гц и защищающий устройство от токов короткого замыкания автоматическим выключением сети переменного тока. Преобразователь напряжения 2 включает в себя фильтр низких частот (защищающий сеть от помех преобразования), импульсный преобразователь (высокочастотный трансформатор), диодные выпрямители, накопительные емкости. На выходе каждого преобразователя напряжения включено устройство слежения 3, образуя n параллельно соединенных цепочек из последовательно включенных преобразователей
напряжения 2 и устройств слежения 3, выходы которых соединены со входом датчика тока 4 (схема ACS7525CA), входы управления подключены к контроллеру 5, выходы сигналов слежения за напряжением к входам управления соответствующих преобразователей напряжения 2, а выходы сигналов выравнивания токов объединены общей аналоговой шиной выравнивания. Количество цепей (преобразователь напряжения с устройством слежения) обусловлено степенью надежности и необходимой выходной мощностью. Обычно их число n составляет от 2 до 8.
вых
Устройство имеет блок защиты 6 от неправильного подключения (от обратной полярности) аккумуляторной батареи, который состоит из обратно включенного мощного диода Шоттки и подключен к выходу датчика тока 4. Выход датчика тока соединен с измерителем выходного напряжения 7 (резистивный делитель) и является выходом устройства U для подключения аккумуляторной батареи (АБ) или нагрузки. Выходы управления датчика тока 4 и измерителя напряжения 7 соединены с соответствующими входами контроллера 5. Контроллер выполнен на микросхеме типа Atmega 168 (фирмы «Атмел» США).
Панель управления и индикации 8 представляет собой автономную микропроцессорную систему с многофункциональным жидкокристаллическим графическим индикатором, связанную с контроллером 5 с помощью последовательного порта RS-485 интерфейса 9.
Блок контроля 10 тепловых процессов в устройстве и автоматического управления ими, выход которого подключается к исполнительному
устройству вентиляции, а вход к контроллеру 5, получающему сигналы от датчиков температуры (типа DS18В20, США), установленных на корпусах радиаторов преобразователей напряжения 2 (на семе не показаны).
Блок дистанционного контроля 11 состояния (ток, напряжение зарядки) аккумулятора и автоматического управления зарядным током, подключен входом напряжения к выходу устройства, управляющим входом-выходом через интерфейс 9 к контроллеру 5, а выход его является клеммами для подключения аккумуляторной батареи.
Устройство содержит вторую панель управления и индикации 12, включенную аналогично панели 8 и выполненную выносной.
Устройство слежения 3 каждого звена преобразования (фиг.2) включает в себя низкоомный шунт 13, вход которого подключен к выходу преобразователя напряжения 2, а выход ко входу датчика тока 4, блок выравнивания токов 14, включенный параллельно шунту 13, сумматор 16 и блок слежения напряжения 15, вход которого подключен к выходу шунта 13, вход управления соединен с соответствующим выходом контроллера 5, а выход сигнала слежения за напряжением подключен к одному из входов сумматора 16, другой вход которого соединен с выходом блока выравнивания токов 14, подключенный также к шине выравнивания. Выход сумматора 16 соединен с входом управления преобразователя напряжения 2. Конструктивно устройство слежения выполнено на основе микросхем типа UC309, значение шунта составляет ~0,005 ом.
Устройство через порт интерфейса имеет выход на ЭВМ.
Принцип работы устройства питания постоянного напряжения и зарядки аккумуляторных батарей основан на преобразовании переменного (или постоянного) напряжения в гальванически развязанное напряжение постоянного тока и стабилизации напряжения и тока на заданном уровне с помощью цифровой системы управления.
1
n
При наличии сетевого напряжения на входе каждого из преобразователей напряжения 2-2 токи вторичных обмоток их высокочастотных трансформаторов протекают через диодные выпрямители и через включенные в положительную ветвь устройства низкоомные шунты 13 соответствующих устройств слежения 3 для активного выравнивания их величин и суммирования. Так как до шунта в каждом звене преобразования напряжения разные (имеют разброс), соответственно токи после шунтов тоже имеют разные величины. Поэтому устройство слежения 3 имеет регулировки и по току (блок 14) и по напряжению (блок 15), обеспечивая ограничение выходного напряжения и тока до заданной величины. Управление преобразователями напряжения 2 для регулировки осуществляется сигналами выравнивания с сумматора 16 через оптические изоляторы. При этом контроллер 5 выдает одинаковый сигнал управления на все устройства слежения 3. В них этот пропорционально распределенный сигнал управления складывается в сумматорах 16 с локальным сигналом рассогласования по току от блоков 14, которые объединены аналоговой шиной выравнивания токов преобразователей 2.
В режиме холостого хода, когда токи равны нулю, работает только ограничение по напряжению.
вых
Общее измерение выходного тока, необходимого для питания нагрузки и зарядки аккумуляторных батарей, осуществляется прецизионным твердотельным датчиком тока 4, а измеритель напряжения 7 непрерывно осуществляет измерение выходного напряжения U устройства.
Контроллер осуществляет:
- защиту от включения на неисправную нагрузку: низкое сопротивление (перегрузка), нулевое сопротивление (короткое замыкание);
- управляет величиной выходного тока и выходного напряжения через устройства слежения;
- измеряет выходной ток и выходное напряжения устройства, выдавая информацию об измеренных величинах на панель управления и индикации;
- получает сигнал от блока дистанционного контроля состояния аккумулятора и автоматического управления зарядным током и в зависимости от степени зарядки АБ управляет преобразователями напряжения;
- получает сигнал от датчиков температуры и через блок контроля тепловых процессов управляет системой вентиляции по ее включению-выключению, изменению интенсивности охлаждения преобразователей напряжения.
Контроль выходных параметров устройства питания постоянного напряжения и зарядки аккумуляторных батарей осуществляется непрерывной цифровой индикацией значений выходного тока и напряжения на многофункциональном жидкокристаллическом графическом индикаторе панелей управления.
Таким образом, благодаря наличию нескольких параллельно соединенных высокочастотных импульсных преобразователей напряжения и устройств слежения, обеспечивающих равенство выходных токов в параллельных звеньях преобразования, повышается надежность функционирования устройства, так как при выходе из строя одного или даже нескольких преобразователей работоспособность устройства сохраняется. Параллельное соединение нескольких преобразователей напряжения увеличивает максимально достижимую выходную мощность устройства. При этом удорожание продукции не является существенным. Наличие блока контроля тепловых процессов в устройстве позволяет защитить от перегрева блоки и части устройства. В случаях, когда аккумуляторная батарея для зарядки не может быть расположена близко к выходным клеммам устройства (для обеспечения оптимального режима заряда за счет более точного измерения напряжения и температуры на АБ), благодаря наличию блока дистанционного контроля состояния аккумулятора эффективность и точность работы устройства сохраняется. Выполнение панели управления и индикации выносной позволяют удобно работать с устройством, осуществляя надежный ввод и индикацию вводимых и считываемых
параметров (значение емкости аккумуляторной батареи, напряжения и тока зарядки).
Полезная модель, предназначенная для преобразования одно- или трехфазного переменного напряжения 220 В или 380 В частотой 50 Гц или постоянного напряжения от 200 В до 570 В в автоматически контролируемое постоянное напряжение (12 В, 24 В, 220 В) с гальванической развязкой цепей, может быть использована для питания широкого класса потребителей (включая и судовые устройства) и зарядки аккумуляторов в ручном и автоматическом режимах.