СПОСОБ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF ELECTRIC POWER SUPPLY AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

СПОСОБ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Изобретение относится к области электротехники и может быть применено для электропитания различных устройств, использующих первичными источниками энергии  электрохимические и (или) конденсаторные аккумуляторы.
Известен патент США US7990110, приоритет от 02 августа 2011, в котором описано устройство, содержащее первичный источник электропитания, индуктивность и ключ для прерывания тока в цепи индуктивности. При периодическом размыкании цепи возникают импульсы экстратока размыкания, которыми заряжают аккумулятор.
На поясняющих схемах видно, что заряжаемый аккумулятор такого устройства невозможно использовать в качестве первичного источника питания.
Известен патент RU2558693, приоритет от 06 февраля 2013, раскрывающий способ генерации энергии в индуктивном накопителе энергии  и её вывод в нагрузку, согласно которому через последовательно включенные индуктивный накопитель энергии, первичный источник питания и коммутатор электрической цепи пропускают ток накачки индуктивного накопителя энергии и после достижения током накачки заданного значения размыкают общую цепь коммутатором, а энергию импульса экстратока размыкания выводят в нагрузку, при этом для увеличения отношения энергии импульса экстратока размыкания к энергии тока накачки первичным источником питания выполняют электрическую цепь, содержащую активное сопротивление и индуктивность накопителя с такими значениями номиналов, при которых длительность импульсов тока накачки меньше постоянной времени индуктивного накопителя на заданную величину.
В этом способе не показана возможность рекуперации энергии в первичный источник.
В качестве прототипа выбран источник питания, содержащий электрохимический источник тока (ЭХИТ), включающий, по меньшей мере, один элемент с анодом и катодом, разделёнными электролитом, шунтирующую ёмкость, подключенную к электрическому выходу ЭХИТ, DC-DC преобразователь с ключевым элементом, блоком управления и индуктивным накопителем энергии, вход DC-DC преобразователя подключен к шунтирующей ёмкости, а выход подключен к нагрузке, при этом указанный блок управления выполнен с возможностью реализации функции регулирования частоты переключения ключевого элемента в диапазоне 5кГц - 1Мгц, удельный импеданс анода составляет 0,01 - 1,6 Ом⋅см. При этом DC-DC преобразователь содержит планарный трансформатор, первичная обмотка которого подключена через ключевой элемент к шунтирующей ёмкости, а вторичная обмотка подключена к индуктивному накопителю энергии (патент RU2403657, приоритет от 27 мая 2008).
В прототипе, также как и в вышеуказанных аналогах, отсутствует возможность эффективного возврата энергии с индуктивного накопителя в первичный источник.
Задачей предлагаемого изобретения является увеличение продолжительности рабочего разряда электрохимического или конденсаторного аккумулятора. Заявляемое изобретение обеспечивает технический результат, заключающийся в том, что энергию импульсов экстратока размыкания возвращают в аккумулятор, для его подзарядки, тем самым снижают затраты активной энергии при неизменной величине нагрузки и, соответственно, увеличивают продолжительность работы.
Технический результат достигается предлагаемым способом электропитания, согласно которому выполняют схему, состоящую из аккумулятора и генератора реактивных импульсов энергии с ключевым элементом, при этом в генераторе  периодически прерывают ток ключевым элементом, а возникающие импульсы реактивной энергии утилизуют, причем  между аккумулятором и генератором реактивных импульсов вводят вторичный источник электропитания, которым создают однополярное напряжение (постоянное или импульсное), питают им нагрузку, включенную  с  упомянутым генератором реактивных импульсов, причем в последний вводят как минимум один из накопителей энергии индуктивного типа, в качестве которого используют трансформатор, при этом первичную обмотку последнего запитывают от вторичного источника электропитания, а вторичную обмотку подключают к выпрямителю, с выхода которого реактивные импульсы соответствующей полярностью подают в аккумулятор для  подзарядки, причем необходимую продолжительность тока накачки накопителей задают периодом повторения и скважностью прерывания тока ключевым элементом, а мощность, приложенную к нагрузке, задают величиной напряжения на выходе вторичного источника электропитания.
При этом в генератор реактивных импульсов вводят второй накопитель энергии, в качестве которого используют конденсатор, который включают последовательно или параллельно с индуктивным накопителем.
Это позволяет увеличить энергию реактивных импульсов.
Устройство для электропитания содержит электрохимический и (или) конденсаторный источник тока (аккумулятор), нагрузку, генератор реактивных импульсов энергии, при этом дополнительно содержит вторичный источник электропитания, вход которого подключен к аккумулятору и зашунтирован конденсатором, а выход одним выводом подключен к аноду диода, катод которого и второй вывод выхода подключены к входу схемы питания нагрузки с генератором реактивных импульсов энергии, содержащем накопители энергии - в виде  конденсатора и индуктивный - в виде трансформатора, и ключевой элемент, при этом упомянутый конденсатор, ключевой элемент, первичная обмотка трансформатора образуют локальную цепь с возможностью разряда накопительного конденсатора через первичную обмотку, причем вторичная обмотка трансформатора подключена к выпрямителю, плюсовый выход которого подключен к плюсовой клемме аккумулятора, а минусовый выход подключен к минусовой клемме аккумулятора.
При этом плюсовый выход выпрямителя может быть подключен к плюсовой клемме аккумулятора через дополнительный диод – катодом к плюсовой клемме аккумулятора.
Это решение позволяет улучшить эффективность работы устройства, рассчитанного на большую мощность.
При этом в качестве ключевого элемента может применяться газовый или вакуумный разрядник.
Это упрощает электрическую схему в предлагаемом изобретении.
При этом  в качестве ключевого элемента может применяться полупроводниковый прибор.
Такое решение расширяет возможности применения заявляемого изобретения.
При этом можно применять ключевой элемент неуправляемого или управляемого типа.
Это расширяет технологическую универсальность устройства.
При этом первичная обмотка трансформатора может быть зашунтирована диодом – катодом к плюсу источника питания.
В предлагаемом изобретении это позволяет продлить ток в обмотке и тем самым дополнительно увеличить энергию реактивных импульсов во вторичной обмотке.
При этом вторичный источник питания выполнен в виде преобразователя DC-DC (постоянное напряжение – в постоянное).
Это позволяет удешевить производство устройств, использующих предлагаемое изобретение.
Далее, настоящее изобретение поясняется более подробно со ссылкой на приложенные чертежи, на которых представлено:
фиг. 1 – электрическая схема устройства, обеспечивающего способ электропитания по настоящему изобретению;
фиг. 2 – эквивалентная схема заряда ёмкостного накопителя;
фиг. 3 – поясняющий график для схемы с фиг.2;
фиг. 4 – эквивалентная схема накачки индуктивного накопителя;
фиг. 5 – поясняющий график для схемы с фиг.4.
Цифровые обозначения на фигурах чертежей: 1 - вторичный источник электропитания; 2 - генератор реактивных импульсов энергии; 3 - ключевой элемент; 4 - выпрямитель; 5 - плюсовая клемма питания генератора 2; 6 - минусовая клемма питания генератора 2.
Н
0
С
0
1
2
Э
C
L
R
С
L
L
Буквенные обозначения: Б – аккумуляторная батарея; С1 - конденсатор; D1-D3 - диоды; R - сопротивление нагрузки; С2 - ёмкостной накопитель энергии; Т - трансформатор; U - напряжение; U - напряжение на выходе источника 1; U - напряжение на ёмкости С2; [U] - средняя величина напряжения; I - ток; I - максимальный ток в индуктивном накопителе; [I] - среднее значение тока; Δt, Δt - длительность импульса; t - длительность экспоненты; W - энергия конденсатора; W - энергия индуктивного накопителя; W - активная энергия (затраченная); k, k - коэффициенты эффективности; L - индуктивность первичной обмотки трансформатора Т; R - активное сопротивление первичной обмотки трансформатора Т; Р - мощность.
0
В предлагаемом изобретении тип используемого ключевого элемента 3 не имеет принципиального значения. Условно будем считать, что это газовый разрядник. Вторичный источник 1 преобразует напряжение аккумулятора Б до величины, необходимой потребителю. На выходе источника 1 присутствует однополярное напряжение – постоянное или импульсное. На принцип работы устройства эта разница не влияет. Форму напряжения выбирает заказчик. Условно можем принять, что напряжение U постоянное.
0
Н
1
С
2
1
2
Работает устройство следующим образом. Подключают аккумулятор Б, заряжается конденсатор С1, а на выходе источника 1 появляется напряжение U. Через диод D1, нагрузку R заряжается накопительный конденсатор С2, при этом разрядник 3 находится в разомкнутом состоянии. Заряд происходит по экспоненциальному закону. Через время Δt, когда на С2  напряжение достигнет величины U, которое равно напряжению пробоя разрядника 3, конденсатор С2 разряжается через первичную обмотку трансформатора Т. При этом ток I через первичную обмотку растёт экспоненциально. Через время Δt  разрядник 3 резко прерывает ток I. Типичное время разрыва цепи для большинства ключевых устройств порядка одной микросекунды. Ввиду его малости по сравнению с длительностью Δt и Δt на графиках оно не показано. Прерывание тока I приводит к возникновению импульса экстратока размыкания, который стремится сохранить прежнее направление. Шунтирующий диод D2  увеличивает продолжительность тока в первичной обмотке трансформатора Т и, соответственно, это приводит к увеличению энергии индуцированного импульса на вторичной обмотке. Эта обмотка подключена к выпрямителю 4, на выходе которого появляются импульсы только одной полярности, поступающие в аккумулятор Б, при этом компенсируется часть активной энергии, затраченной аккумулятором.
В результате, продолжительность разряда аккумулятора увеличивается.
Схемные решения на фиг.1 в различных вариантах используются в известных устройствах: блоках бесперебойного питания; преобразователях напряжения; генераторах  и т.д. Но в известных устройствах используются другие режимы их работы. В предлагаемом изобретении подбирают значения схемных элементов и режим работы такими, чтобы получить как можно выше  численные значения коэффициентов:
С
Н
1
k = 2(R)⋅(С2)/ Δt                          (1)
L
L
2
k = 2L/( R)⋅ Δt                                (2)
Н
1
На фиг.3 изображен график заряда конденсатора С2. Закон заряда конденсатора является экспоненциальным, нелинейным. Ток заряда I, совершив работу на активном сопротивлении R  в течение времени Δt, преобразуется в энергию электрического поля в конденсаторе С2. При этом активная энергия (работа)  равна
R
1
Н
2
W = [U]⋅Δt/R,                                 (3)
а энергия заряда конденсатора С2 равна
C
C
2
W = C⋅(U)/2.                                 (4)
Н
1
Падение напряжение [U] на сопротивлении R является средней величиной за промежуток времени Δt, при этом всегда выполняют условие:
1
Э
.
Δt <  t                                           (5)
C
С достаточной точностью можно принять [U] = U/2.
Поделив выражение (4) на (3) получим соотношение (1), по которому можно подбирать численные значения параметров схемы с целью максимального накопления реактивной энергии на конденсаторе С2.
2
На фиг.5 показан график изменения тока I в первичной обмотке трансформатора Т  при замыкании ключевого элемента 3. Закон изменения тока является экспоненциальным, нелинейным. В момент времени Δt ключевой элемент прерывает ток. Наблюдения показывают следующий результат.
2
L
В течение промежутка Δt ток I , увеличиваясь до максимального значения I, совершил работу на активном сопротивлении обмотки и, одновременно, в ней накоплена порция электромагнитной энергии, которую можно использовать. Совершенная работа равна
RL
L
2
2
W = [I]⋅R⋅Δt,                                 (6)
L
c достаточной точностью можно принять [I] = I/2,
2
Э
при этом  всегда выполняют условие:  Δt <  t ,                         (7)
а накопленная электромагнитная энергия в индуктивности L равна
L
L
2
W = L⋅(I)/2 .                                     (8)
Поделив выражение (8) на (6), получаем соотношение (2), по которому можно подбирать численные значения параметров схемы, с целью максимального накопления реактивной энергии в трансформаторе Т.
1
2
Соотношения для коэффициентов (1) и (2) показывают, что они не зависят ни от величины напряжения, ни от величины тока. Длительность Δt и Δt импульсов накачки реактивных элементов схемы зависит от частоты и скважности работы ключа. Сокращение времени накачки Δt повышает коэффициенты k, но при этом уменьшается количество энергии и, соответственно, полезная мощность устройства. В предлагаемом изобретении эта проблема решается путем увеличения напряжения (и мощности Р) вторичного источника питания. Это позволяет подключать мощную нагрузку при  заданном значении коэффициентов (1) и (2).
В промышленных сетях переменного тока реактивная энергия «переливается» от потребителя в источник и обратно, нагревая провода и обмотки. Это явление считается вредным и с ним борются, повышая коэффициент мощности (cosϕ) у потребителя.
В предлагаемом изобретении источник энергии – аккумулятор и потребитель его энергии расположены в одном месте, поэтому выгодно увеличивать долю реактивной энергии, чтобы можно было её трансформировать и возвратить в аккумулятор. Это позволяет увеличить продолжительность разряда аккумулятора при одинаковой нагрузке.
Авторами был выполнен ряд экспериментов с использованием аккумулятора от автомобиля «Жигули», промышленного преобразователя 12 - 220 вольт и нагрузки – две лампы накаливания, каждая на 220 вольт, 95 Вт. Сравнивали напряжение разряда аккумулятора за одинаковый промежуток времени. Результат показал, что без возврата энергии в аккумулятор на его клеммах напряжение уменьшалось в 1,2 - 1,8 раз больше по сравнению с тем, когда энергию возвращали согласно предлагаемому изобретению.