ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО

Предлагаемая полезная модель относится к электротехнике, а именно к обслуживанию вторичных элементов, и может быть использовано для заряда накопителей электрической энергии (НЭЭ), например аккумуляторов и конденсаторов.
Известно устройство для заряда аккумуляторов пульсирующим током. Для этого используются статические преобразователи электроэнергии /СПЭЭ/, схемы выпрямления которых выполнены на тиристорах. Кроме того, в общей схеме используются: блок формирования импульсов, блок вспомогательных тиристоров, генератор высокой частоты. Устройства, содержащие большое количество элементов, конструктивно сложные и, как следствие, ненадежные (см. Атаманенко С.А., Швалев Е.Б. Диагностика и способы продления срока службы свинцово-кислотных аккумуляторных батарей. // Л.: О-во "Знание" РСФСР, ЛО, ЛД НТП, 1990.-16 с.).
СПЭЭ, как и большинство АЗУ, выполнены по общему принципу и содержат чувствительный элемент, воспринимающий напряжение источника постоянного напряжения (обычно это делитель напряжения), элемент сравнения, в котором напряжение источника постоянного напряжения сравнивается с эталонной величиной (обычно это напряжение стабилизации стабилитрона), и регулирующий орган, изменяющий зарядные характеристики, если напряжение источника постоянного напряжения отличается от эталонной величины. Но так как электродвижущая сила (ЭДС) разряженного аккумулятора, имеющего электролит высокой плотности, будет больше ЭДС заряженного аккумулятора с более слабым раствором, поэтому о степени заряда аккумулятора с неизвестной начальной плотностью раствора руководствоваться измерением ЭДС без подключенной нагрузки нельзя.
Известно автоматическое зарядное устройство для заряда накопителей электрической энергии (НЭЭ), на которых количество накопленного заряда обратно пропорционально внутреннему сопротивлению, содержащее выходные клеммы для подключения НЭЭ, питающий трансформатор, вторичная обмотка которого соединена с двухполупериодным неуправляемым выпрямителем. В устройство введен бескотактный ключ, состоящий из тиристора и светодиода, включенного в цепь анод-управляющий электрод тиристора катодом к управляющему электроду. Аноды диодов двухполупериодного неуправляемого выпрямителя через вторичную обмотку питающего трансформатора и ее среднюю точку подключены к выходной клемме для подключения НЭЭ отрицательной полярности. А их катоды, соединенные с анодом бесконтактного ключа посредством кожуха питающего трансформатора, через катод бесконтактного ключа подключены к выходной клемме для подключения НЭЭ положительной полярности. В роли ограничительного сопротивления и радиатора полупроводниковых приборов используется кожух трансформатора (см. патент РФ №2155426, МПК 7 Н02J 15/00, 2000 г.).
Недостатками данного устройства является то, что в устройстве имеется ограничительное сопротивление, параметры которого неопределенны и могут меняться в зависимости от температуры кожуха, и то, что силовые элементы установлены на кожух трансформатора, у которого снижается надежность ввиду нарушения теплового режима последнего. У этого устройства большие габариты и вес, дорогостоящие силовые полупроводниковые приборы.
Известен преобразователь от сети переменного тока, который содержит ключевой элемент (например, тиристор) для получения импульсов зарядного тока, включенный в цепь вторичной обмотки сетевого трансформатора. Управляющая цепь ключевого элемента подсоединена к выходу блока управления. Блок управления при частоте следования импульсов зарядного тока 50 Гц состоит из последовательно соединенных формирователя прямоугольных импульсов с частотой следования 50 Гц, синхронизированных с частотой сети переменного тока, и формирователя управляющих импульсов напряжения с той же частотой следования, но с меньшей длительностью, и формой, обеспечивающих получение импульсов зарядного тока с длительностью, меньшей или равной четверти периода колебаний в сети переменного тока. Блок управления при частоте следования 25 Гц и менее состоит из последовательно соединенных формирователя синхроимпульсов с частотой следования 50 Гц, делителя частоты, формирователя управляющих импульсов напряжения с выбранной частотой следования, синхронизированных с частотой сети переменного тока, и с длительностью и формой, обеспечивающих получение импульсов зарядного тока с длительностью, меньшей или равной четверти периода колебаний в сети переменного тока. Изменение эффективного постоянного тока заряда можно осуществлять, в зависимости от выбранной схемы, регулировкой амплитуды импульса напряжения в управляющей цепи ключевого элемента при фиксированной длительности или увеличением длительности этого импульса от какого-то малого значения при его фиксированной амплитуде (см. патент РФ №2180460, МПК 7 Н01М 10/44, 2002 г.).
Недостатком данного устройства является большое количество полупроводниковых элементов и устаревшая элементная база.
Приведенные выше примеры зарядных устройств в основе своей являются морально устаревшими устройствами. Использование таких устройств в современных условиях приведет к неудобствам для пользователей, и ожидаемый результат от их применения может быть не достигнут.
Задача, решаемая полезной моделью - устранение недостатков, присущих известным из уровня техники устройствам, создание удобного в обращении, легкого и более совершенного программируемого автоматического устройства, используемого для заряда накопителей электрической энергии, с цифровой индикацией и звуковой сигнализацией, которое может программными средствами задавать выходные параметры, требуемые для конкретной подключаемой нагрузки.
Поставленная задача решается за счет того, что разработано зарядное устройство, содержащее последовательно соединенные сетевой фильтр и сетевой выпрямитель с управляемым высокочастотным (ВЧ) преобразователем, соединенным с первичной обмоткой трансформатора, вторичная обмотка которого последовательно соединена с выходным выпрямителем, выходным фильтром, последовательно которому через первый ключ подключен накопитель электрической энергии, замкнутый далее на последовательно соединенный токовый датчик, параллельно выходному фильтру в цепи установлен второй ключ с нагрузкой, причем оба ключа соединены с программируемым блоком управления и индикации, который связан с управляемым ВЧ преобразователем через схему гальванической развязки, а между сетевым выпрямителем и управляемым ВЧ преобразователем установлен входной фильтр.
К токовому датчику подключен усилитель сигнала, связанный с программируемым блоком управления и индикации.
Программируемый блок управления и индикации снабжен сложной многоуровневой программой.
Устройство снабжено блоком цифровой индикации, который может быть включен в программируемый блок управления и индикации.
Устройство может содержать блок звуковой сигнализации который может быть включен в программируемый блок управления и индикации.
Устройство снабжено схемой формирования входных и выходных сигналов (СФС), которая может быть включена в программируемый блок управления и индикации.
Схема гальванической развязки выполнена в виде оптопары.
Технический результат от использования совокупности существенных признаков полезной модели заключается в получении удобного в обращении, легкого и более совершенного программируемого автоматического устройства, используемого для заряда накопителей электрической энергии, с цифровой индикацией и звуковой сигнализацией, которое может программными средствами задавать выходные параметры, не зависящие от внешних параметров питающей сети и требуемые для конкретной подключаемой нагрузки.
Наличие сетевого фильтра обеспечивает предотвращает попадание в сеть помех, возникающих во время работы устройства.
Наличие входного фильтра позволяет сглаживать пульсации выпрямленного напряжения.
Наличие первого ключа обеспечивает возможность автоматического определения подключения нагрузки, а также предотвращает выход из строя программируемого автоматического зарядного устройства при нарушении полярности (защита от «переполюсовки» АБ).
Установка второго ключа с нагрузкой обеспечивает формирование разрядного тока НЭЭ и дает возможность сформировать режим заряда знакопеременным током, что в свою очередь обеспечивает возможность восстановления работоспособности некоторых видов НЭЭ (например, можно провести десульфатацию свинцово-кислотных аккумуляторов).
Наличие блока управления и индикации, включающего в себя микроконтроллер (МК), который может быть дополнительно снабжен схемой формирования входных и выходных сигналов (СФС), блоком индикации и звуковой сигнализации, клавиатурой (К), обеспечивает измерение и индикацию параметров подключаемой нагрузки, во всех режимах работы, формирование выходных параметров устройства и управление первым и вторым ключами в соответствии с управляющей программой. При отсутствии сетевого напряжения блок управления и индикации позволяет контролировать состояние накопителя электрической энергии, а также информировать пользователя о снижении напряжения на НЭЭ ниже критического уровня, задаваемого в программе устройства.
Наличие гальванической развязки, выполненной, например, в виде оптопары, обеспечивает безопасность устройства и передачу сигнала обратной связи (ОС) от блока управления и индикации к управляемому преобразователю.
На чертеже приведена блок-схема зарядного устройства.
Зарядное устройство содержит входные клеммы для подключения устройства к сети переменного тока, к которым последовательно подключены сетевой фильтр 1 и сетевой выпрямитель 2 с управляемым ВЧ преобразователем 3, соединенным с первичной обмоткой трансформатора 4. Вторичная обмотка трансформатора 4 последовательно соединена с выходным выпрямителем 5 и выходным фильтром 6, параллельно которому в цепи установлен второй ключ К2 с нагрузкой Zн.
Последовательно выходному фильтру 6 установлен токовый датчик (ТД) 7 с усилителем 8 сигнала ТД, который соединен с накопителем электрической энергии 9. Также последовательно с выходным фильтром 6 через первый ключ К1, подключен накопитель электрической энергии (НЭЭ) 9. Оба ключа К1 и К2 соединены с блоком 10 управления и индикации, подсоединенным к управляемому ВЧ преобразователю 3 через схему гальванической развязки 11, которая может быть выполнена, например, в виде оптопары. Между сетевым выпрямителем 2 и управляемым ВЧ преобразователем 3 установлен входной фильтр 12.
Ключ К1 состоит из транзистора и подключенного параллельно ему диода 13. Наличие диода 13 обеспечивает работу блока 10 при отключенной сети и позволяет получать сведения о состоянии НЭЭ,
Ключи К1 и К2 управляются блоком 10 управления и индикации, снабженным сложной многоуровневой программой, которая задает необходимый режим включения первого и второго ключей.
В состав блока 10, включающего в себя микроконтроллер (МК), могут быть включены блок цифровой индикации, блок звуковой сигнализации, клавиатура (К), схема формирования входных и выходных сигналов (СФС).
Зарядное устройство работает следующим образом.
Через сетевой фильтр 1 переменное входное напряжение поступает на выпрямитель 2, затем, уже выпрямленное напряжение, через входной фильтр 12 подается на управляемый ВЧ преобразователь 3. На выходе преобразователя формируются импульсы напряжения высокой частоты, которые через трансформатор 4 поступают на выходной выпрямитель 5 и фильтр 6. Выпрямленное и сглаженное выходное напряжение поступает на блок управления и индикации 10, в котором проверяется соответствие между заданным в программе значением напряжения и напряжением, полученным на выходе фильтра 6. В результате сравнения формируется сигнал обратной связи, который через схему гальванической развязки 11 поступает на управляющий вход ВЧ преобразователя 3, на выходе преобразователя изменяется скважность импульсов поступающих на трансформатор 4 и, как следствие, изменяется напряжение на выходе фильтра 6, таким образом, чтобы выходное напряжение пришло в соответствие с заданным.
При регулировке выходного тока сигнал с выхода токового усилителя 8 сравнивается с заданным значением тока в блоке 10 управления и индикации, В результате на выходе преобразователя 3 также изменяется скважность импульсов и, следовательно, изменяется сила тока в нагрузке.
Выбор регулируемого параметра - ток или напряжение - осуществляется в блоке 10 в соответствии с управляющей программой. Кроме того, программным способом, можно сформировать выходной ток и напряжение с произвольным законом изменения во времени, в зависимости от требований подключаемой нагрузки или накопителя электрической энергии. Т.е. данное устройство может выполнять не только функции зарядного устройства, но и функции универсального источника тока и напряжения.
При подключении к устройству накопителя электрической энергии 9, блок управления 10, в соответствии с управляющей программой, определяет состояние подключенной нагрузки (НЭЭ) - по напряжению на выходных клеммах и разрядному току, а также определяет наличие сетевого напряжения - по напряжению на выходе фильтра 6.
В зависимости от состояния НЭЭ, в соответствии с управляющей программой, выбирается напряжение заряда, сила зарядного тока, закон изменения зарядного тока и напряжения и продолжительность зарядного импульса. Включается ключ К1, замыкая цепь заряда НЭЭ и через схему гальванической развязки 11 производится управление преобразователем 3 так, чтобы сформировать на выходе устройства требуемые значения тока и напряжения.
В процессе формирования зарядного импульса блок управления 10 контролирует достигнутые значения параметров, сравнивает их с заданными и на основании этих данных осуществляет оценку состояния НЭЭ, а также изменение хода программы управления.
Устройство может также сформировать разрядный импульс. В этом случае блок 10 формирует сигнал обратной связи так, чтобы отключить управляемый преобразователь 3. Дополнительно блок 10 включает ключ К2, обеспечивая этим прохождение тока через нагрузку Zн. Управляя частотой и скважностью включения ключа К2, в соответствии с управляющей программой, ток разряда НЭЭ может изменяться в широких пределах. Значение разрядного тока и длительность разрядного импульса контролируется блоком управления 10.
Изменяя длительность зарядного импульса, силу зарядного тока и напряжения, силу разрядного тока и длительность разрядного импульса можно создать условия для оптимального режима заряда и восстановления различных типов накопителей электрической энергии, а также проводить с ними диагностические и профилактические работы.
Также, блок управления и индикации 10 используется для определения признаков завершения заряда, в соответствии с управляющей программой и типом заряжаемого НЭЭ. Для некоторых НЭЭ признаком окончания заряда является достижение определенного уровня напряжения, для других - определенное изменение напряжения в процессе заряда, для третьих - прекращение изменения напряжения в процессе заряда в течении определенного времени. Также возможны другие комбинации выходных параметров, контролируемых блоком 10, которые могут являться признаком завершения заряда конкретного типа НЭЭ. Причем различные алгоритмы работы устройства могут быть реализованы программно, без изменения структурной схемы.
Таким образом, при минимуме схемных элементов решается поставленная задача по обслуживанию вторичных элементов, в частности заряда накопителей электрической энергии, например аккумуляторов и конденсаторов.